Лазерные технологии и нанотехнологии

Учебное пособие: Лазерные технологии и нанотехнологии

Данное учебное пособие предназначено для изучения основ лазерных технологий и нанотехнологий, их роли в современном производстве, медицине, микроэлектронике и других сферах жизни общества, а также для проверки и закрепления полученных знаний.

1. Конспект ключевых концепций и материалов

1.1. Лазерные технологии

Лазерные технологии представляют собой процессы обработки, изготовления, изменения состояния, свойств и формы материалов, которые осуществляются посредством лазерного излучения. Уровень внедрения лазерных технологий во все сферы общества служит показателем общего технологического развития страны.

Структура мирового рынка применения лазеров:

• Телекоммуникации (системы связи), оптическая память и обработка информации: 67%
• Обработка материалов: 25%
• Медицина: 8%

Лазеры также активно применяются в оптоэлектронике, биологии, навигации, измерении расстояний, научных исследованиях, культуре и сфере развлечений.

Проблема традиционных способов обработки

При ручной или механической обработке материалов (ткань, бумага, картон, древесина, металлы, пластик) образуется большое количество отходов. Например, при металлообработке на металлорежущих станках в отходы (металлолом, стружку и пыль) уходит от 10 до 20% материала. Это приводит к финансовым потерям, проблемам утилизации и нарушению экологической безопасности.

Преимущества лазерной обработки материалов перед традиционными методами:

1. Увеличение срока службы деталей: в 3–10 раз за счет упрочнения их поверхностного слоя.
2. Локальность и скорость: высокая концентрация энергии позволяет обрабатывать только поверхность малого участка без нагрева остального объема материала, с большими скоростями и за малое время.
3. Бесконтактность: отсутствие механического воздействия на образец.
4. Экологичность: возможность проведения обработки на воздухе без вредных отходов.
5. Автоматизация и производительность: легкость автоматизации процессов и высокая производительность.
6. Расширение спектра материалов: возможность обработки керамики, минералов, горных пород и неметаллических материалов, не поддающихся резанию другими способами.
7. Прочность сварных швов: прочность швов при лазерной сварке в несколько раз выше, чем при электросварке (что крайне важно для атомной энергетики).
8. Высокое качество: общее повышение качества обработки.

Специализированное и инновационное применение лазеров:

• Лазерная гравировка и резка на коже и кожзаменителях: современный метод нанесения изображения путем удаления части материала.
• Реставрация памятников архитектуры (технология ГК «Ростех»): сочетает обработку загрязненной поверхности лазерным излучением и нанесение инновационного гидрофобного покрытия.
• • Характеристики: прибор компактен, бесшумен, не требует расходных материалов, скорость очистки составляет $10\text{ м}^2/\text{ч}$.
  • Устойчивость покрытия: сохраняет свойства в температурном диапазоне от $-60$ до +250\text{ ^\circ C}.
  • Преимущество: в отличие от пескоструйной или химической очистки, отсутствует вредное воздействие на поверхность.

1.2. Нанотехнологии и наноструктуры

• Приставка «нано-» обозначает одну миллиардную часть величины ($10^{-9}$).
• Происхождение термина: термин «нанотехнология» был предложен в 1974 году японским физиком Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки хрупких материалов.
• Определение: нанотехнология — это совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических приложений в исследовании космоса, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, энергетике, строительстве и социальной сфере.

Наноструктуры

Это микроскопические объекты естественного (природного) или искусственного (синтетического) происхождения размером в несколько нанометров, построенные из атомов и молекул и обладающие строго определенной структурой, обусловливающей их свойства.

• Природные наноструктуры: содержатся в живых организмах и обладают уникальными механическими свойствами, которые ученые исследуют для создания искусственных аналогов.
• Применение в микроэлектронике: обеспечивают миниатюризацию электронных устройств (в первую очередь транзисторов).

1.3. Новые материалы: композиты, нанокомпозиты и «умные» материалы

Категория материалов · Описание и состав · Области применения и свойства

• Композиты — Многокомпонентные материалы с различными свойствами, образующие материал с новыми свойствами. Examples: стеклопластики (с введенными стеклянными волокнами), углепластики (с углеродными волокнами).; Космическая и авиационная техника (позволяют снизить вес летательных аппаратов на 5–30%).
• Нанокомпозиты — Композиционные материалы, содержащие наночастицы и наноструктуры размером менее 100 нм.; Повышают жесткость, прочность, электро- и теплопроводность, устойчивость к износу и повреждениям.
• Умные (интеллектуальные) материалы — Материалы, свойства которых обратимо или необратимо изменяются под внешними воздействиями (давление, влажность, температура, электрические и магнитные поля). Examples: термо- и фоточувствительные полимеры, материалы с эффектом памяти формы.; Применяются в качестве сенсоров (датчиков), в приборах для оценки состояния окружающей среды и определения концентрации вредных веществ.

1.4. Аллотропные формы углерода

Углерод образует различные соединения атомов между собой (аллотропные формы):

1. Алмаз: пространственная структура.
2. Графит: слоистая структура.
3. Графен: слой углерода толщиной в один атом. Перспективен для замены кремниевой подложки при производстве микросхем, а также для создания сенсорных экранов и дисплеев.
4. Карбин: длинные цепочки углерода, способные образовывать кольца. Обладает отличной прочностью, растягиваемостью и уникальными электрическими свойствами.
5. Фуллерены: пространственные сферообразные структуры углерода. Используются для хранения электроэнергии, в медицине и т.д.
6. Углеродные нанотрубки: уникальные проводники тепла. Применяются в качестве смазки для отвода тепла в компьютерах и для получения высокопрочных соединений.

> Наноструктуры в природе: Природный минерал шунгит содержит в своем составе фуллерены и углеродные нанотрубки. Шунгит обладает сильными антиоксидантными свойствами, эффективно очищает воду от растворенных примесей, оказывая оздоравливающее влияние на организм.

1.5. Нанотехнологии в медицине и востребованные профессии

• Разработка Томского политехнического университета: медицинский препарат на основе наночастиц серебра. Обладает универсальным действием на вирусы, бактерии и грибки; применяется как вспомогательное средство при лечении гриппа и ОРВИ.
• Актуальные профессии:
• • Инженер по лазерной технике и лазерным технологиям;
  • Нанотехнолог.

1.6. Единицы измерения, упоминаемые в материале

• Нанометр (нм)
• Миллиметр (мм)
• Процент (%)
• Градус Цельсия (°С)
• Квадратный метр ($м^2$)

2. Вопросы для проверки знаний (с короткими ответами)

Вопросы

1. Какой процент мирового рынка применения лазеров приходится на телекоммуникации, оптическую память и обработку информации?
2. Какой объем отходов (в процентах) образуется при металлообработке деталей на традиционных металлорежущих станках?
3. Во сколько раз лазерная обработка позволяет увеличить срок службы деталей за счет упрочнения поверхностного слоя?
4. Кто и в каком году впервые предложил термин «нанотехнология»?
5. Что означает приставка «нано-»?
6. На сколько процентов использование композитов (стеклопластиков и углепластиков) позволяет снизить вес летательных аппаратов?
7. Что такое графен?
8. Какие свойства шунгита обусловлены наличием в нем фуллеренов и углеродных нанотрубок?
9. Какое лекарственное средство разработали ученые Томского политехнического университета?
10. Какова производительность прибора для лазерной очистки архитектурных памятников, разработанного инженерами «Ростех»?

Ответы для самопроверки

1. 67% мирового рынка.
2. От 10 до 20% отходов (в виде металлолома, стружки и пыли).
3. В 3–10 раз.
4. Термин был предложен в 1974 году японским физиком Норио Танигучи.
5. Приставка «нано-» означает одну миллиардную часть ($10^{-9}$) какой-либо величины.
6. На 5–30%.
7. Графен — это слой углерода толщиной в один атом.
8. Сильные антиоксидантные свойства и способность эффективно очищать воду от растворенных примесей.
9. Препарат на основе наночастиц серебра, обладающий универсальным действием против вирусов, бактерий и грибков (для лечения гриппа и ОРВИ).
10. 10 квадратных метров в час ($10\text{ м}^2/\text{ч}$).

3. Темы для эссе и развернутых ответов

1. Сравнительный анализ традиционных и лазерных методов обработки материалов: Проанализируйте экономические, технологические и экологические аспекты перехода от механической резки и электросварки к лазерным технологиям. Учтите факты, касающиеся образования отходов, прочности сварных швов и энергоконцентрации.
2. Разнообразие аллотропных форм углерода и их роль в наноиндустрии: Опишите структурные различия и практическое применение алмаза, графита, графена, карбина, фуллеренов и углеродных нанотрубок.
3. Применение умных материалов и нанокомпозитов в решении экологических и производственных задач: Раскройте механизмы работы материалов с эффектом памяти и термо-/фоточувствительных полимеров. Как наноструктуры меняют свойства традиционных материалов?
4. Инновации в сохранении культурного наследия и медицине: На основе примера технологий ГК «Ростех» и разработки ТПУ покажите, как совместное использование лазеров и наночастиц решает узкоспециализированные практические задачи.

4. Глоссарий терминов

• Графен — Слой углерода толщиной в один атом, способный заменить кремниевую подложку в микросхемах и используемый в дисплеях.
• Карбин — Аллотропное соединение углерода в виде длинных цепочек (способных смыкаться в кольца), обладающее высокой прочностью, растягиваемостью и уникальными электрическими свойствами.
• Композиты (композиционные материалы) — Материалы, включающие много составляющих с различными свойствами, что позволяет получить материал с совершенно новыми свойствами (напр., стеклопластики, углепластики).
• Лазер — Оптический квантовый генератор, источник узконаправленного и высококонцентрированного светового излучения.
• Лазерная гравировка и резка — Современная технология нанесения изображений или раскроя материалов (например, кожи и кожзаменителей), основанная на локальном удалении части материала лазерным лучом.
• Лазерные технологии — Процессы обработки, изготовления, изменения состояния свойств и формы материалов, осуществляемые посредством лазерного излучения.
• Нанокомпозиты — Композиционные материалы, в состав которых входят наночастицы и наноструктуры размером менее 100 нм.
• Нанометр (нм) — Единица измерения длины, равная одной миллиардной части метра ($10^{-9}\text{ м}$).
• Наноструктуры — Микроскопические объекты синтетического или природного происхождения размером в несколько нанометров, построенные из атомов и молекул со строго определенной структурой.
• Нанотехнология — Совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических приложений в промышленности, медицине, энергетике, космонавтике и других сферах.
• Стеклопластики — Полимерные композиционные материалы, в состав которых введены стеклянные волокна.
• Углепластики — Полимерные композиционные материалы, укрепленные углеродными волокнами.
• Умные (интеллектуальные) материалы — Материалы, свойства которых обратимо или необратимо изменяются под внешними воздействиями (температура, давление, влажность, поля), что позволяет применять их в качестве датчиков и сенсоров.
• Фуллерены — Пространственные сферообразные структуры из атомов углерода, применяемые в медицине и энергетике.
• Шунгит — Природный минерал, содержащий естественные фуллерены и углеродные нанотрубки, обладающий антиоксидантными и водоочистительными свойствами.