# Лазерные технологии и нанотехнологии

Технология · 8 класс · Производство и его виды
Источник: https://razlozheno.ru/subject/tehnologiya/8/lazernye-tehnologii-i-nanotehnologii

Два направления современных технологий: лазерная обработка материалов и нанотехнологии. Разберём, что умеет лазерный луч, что такое «нано» и почему из одних и тех же атомов углерода получаются совершенно разные вещества и материалы.

## Чему научишься

- Объяснить, что такое лазерные технологии, и назвать их главные преимущества перед обычной обработкой
- Объяснить, что означает приставка «нано-», и отличить наноструктуры от обычных материалов
- Различать графен, карбин и фуллерены, а также стеклопластики, углепластики и нанокомпозиты

## С чего начать

Как лучом света «нарисовать» узор на кожаном ремне, да ещё и резать им металл — и при чём тут слой углерода толщиной в один атом, из которого делают материалы будущего?

## 1. Лазерные технологии: луч вместо резца

*Что умеет луч и чем он лучше обычного инструмента*

Представь лупу, которой на солнце выжигают рисунок на дощечке. Свет собран в крошечное пятнышко, и там становится очень горячо. Лазерный луч работает похоже, только гораздо точнее и мощнее: вся энергия собрана в очень маленьком участке. Поэтому им можно резать, сваривать, гравировать и упрочнять поверхность, а остальной материал рядом даже не нагреется.

**Лазерные технологии**

**Лазерные технологии** — процессы обработки, изготовления, изменения состояния свойств и формы материалов, осуществляемые посредством лазерного излучения.

**Лупа и луч**

Лупа собирает солнечный свет в точку, и дерево обугливается только там. Лазер — «лупа на максимуме»: энергия собрана в узкий луч, а инструмент (луч) ничего не касается. Оговорка: лупа лишь собирает обычный свет, а лазер сам создаёт особый узкий луч.

*Рисунок: Лазерная режущая головка, направляющая луч на металлическую поверхность*

Чем лазерная обработка лучше обычной? Главные плюсы:

- **Точность без нагрева всего подряд.** Высокая концентрация энергии луча позволяет обрабатывать только поверхность малого участка без нагрева остального объёма материала, при малом времени воздействия и с большими скоростями.
- **Нет механического воздействия** на обрабатываемый образец: на деталь ничего не давит, как давил бы резец.
- **Экология.** Возможна обработка на воздухе без вредных отходов, что повышает экологическую безопасность предприятия.
- **Автоматизация.** Лёгкость автоматизации процессов и высокая производительность.
- **Новые материалы.** Расширение видов обрабатываемых материалов: керамика, минералы, горные породы, неметаллические материалы, не поддающиеся резанию другим способом.
- **Прочность.** Прочность швов при лазерной сварке в несколько раз выше, чем при использовании электросварки.
- **Долговечность.** Срок службы деталей увеличивается в 3—10 раз благодаря упрочнению поверхностного слоя.
- **Качество** обработки материалов в целом повышается.

**Как запомнить преимущества**

Правило самопроверки: у лазера «ничего не касается, ничего лишнего не греется, обработка на воздухе возможна без вредных отходов». Если в ответе про лазер есть удар, нагрев всей детали или утверждение об отсутствии любых отходов — это не про него.

*Рисунок: Лазерный станок с открытой крышкой*

**А где это встречается в жизни?** Например, на кожаном ремне. Лазерная гравировка и резка на коже и кожзаменителях делает узор на изделии, а луч просто убирает часть материала там, где нужно.

**Лазерная гравировка и резка на коже и кожзаменителях**

**Лазерная гравировка и резка на коже и кожзаменителях** — современная технология нанесения изображения на поверхности изделий из этих материалов, основанная на удалении части материала.

*Рисунок: Кожаный ремень с пряжкой*

**Пример: Во сколько раз дольше прослужит деталь**

1. Деталь без обработки служила 2 года. Лазерное упрочнение поверхностного слоя увеличивает срок службы в 3—10 раз.
2. Минимум: $2 \cdot 3 = 6$ лет.
3. Максимум: $2 \cdot 10 = 20$ лет.
4. Вывод: после упрочнения такая деталь прослужит примерно от 6 до 20 лет.

**Проверь себя:** Почему лазером можно обрабатывать хрупкие или очень твёрдые материалы, которые плохо поддаются резцу?
**Ответ:** Луч не давит на материал (нет механического воздействия) и работает энергией, а не силой, поэтому хрупкая керамика не ломается, а твёрдый материал не мешает.

Для масштаба: на лазерные применения в мире приходится так — **67%** связь и хранение данных, **25%** обработка материалов, **8%** медицина. Обработка материалов, о которой мы говорили, занимает четверть.

### Проверь себя

**Какое определение наиболее точно описывает лазерные технологии согласно предоставленному материалу?**
- Технологии, основанные исключительно на использовании ультразвуковых волн для резки металлов.
- Методы механического воздействия на материалы для создания микроскопических структур.
- Процессы обработки и изменения свойств материалов, осуществляемые посредством лазерного излучения. — верно
- Способы ручного нанесения изображений на кожу с помощью химических реактивов.
> Лазерные технологии определяются как процессы воздействия лазерным лучом на форму, состояние и свойства различных материалов.

**Какую долю мирового рынка занимают лазеры в сфере телекоммуникаций и систем связи?**
- $67 \%$ — верно
- $25 \%$
- $8 \%$
- $15 \%$
> Согласно статистике из текста, именно такой процент приходится на телекоммуникации, оптическую память и обработку информации.

**Какое количество отходов металлической стружки и пыли образуется при традиционной обработке деталей на станках?**
- Около $50 \ %$
- От $30 \ %$ до $40 \ %$
- Менее $5 \ \%$
- От $10 \%$ до $20 \%$ — верно
> Текст указывает на эти цифры как на существенную проблему материальных потерь при механической обработке.

**Во сколько раз лазерные технологии позволяют увеличить срок службы деталей за счет упрочнения поверхностного слоя?**
- В $2$ раза
- Срок службы не меняется
- В $3$—$10$ раз — верно
- В $20$—$30$ раз
> Это одно из ключевых преимуществ лазерной обработки конструкционных материалов, отмеченных в списке достоинств.

**В чем заключается особенность нагрева материала при лазерной обработке?**
- Эффект достигается за счет охлаждения поверхности материала.
- Материал прогревается равномерно по всей глубине и объему.
- Нагрев происходит медленно в течение длительного времени.
- Обрабатывается только поверхность малого участка без нагрева остального объема. — верно
> Высокая концентрация энергии позволяет воздействовать локально и с большой скоростью.

**Какие материалы, не поддающиеся обычному резанию, можно обрабатывать с помощью лазера?**
- Только мягкие породы древесины.
- Керамика, минералы и горные породы. — верно
- Только черные металлы.
- Исключительно пластмассы и ткани.
> Текст отмечает, что лазер расширяет виды обрабатываемых материалов за счет тех, которые сложно резать другими способами.

**Почему лазерная сварка считается более предпочтительной в атомной энергетике по сравнению с электросваркой?**
- Лазерная сварка обходится дешевле при любом объеме работ.
- При электросварке выделяется слишком много света.
- Электросварка не работает в условиях радиации.
- Прочность швов при лазерной сварке в несколько раз выше. — верно
> Высокая прочность соединений критически важна для отраслей с повышенными требованиями к безопасности.

**Какое преимущество лазерной очистки памятников от «Ростеха» выделено в тексте?**
- Возможность изменить цвет старого камня.
- Необходимость возведения огромных защитных куполов.
- Использование дешевых химических растворителей.
- Отсутствие вредного воздействия на обрабатываемую поверхность. — верно
> В отличие от пескоструйной обработки, лазер не повреждает структуру памятника.

**Какова скорость очистки поверхности лазерным прибором «Ростеха»?**
- $50 \text{ м}^{2}$ в час.
- $1 \text{ м}^{2}$ в день.
- $100 \text{ м}^{2}$ в минуту.
- $10 \text{ м}^{2}$ в час. — верно
> Эта цифра приведена в разделе полезной информации как показатель производительности.

**Какой диапазон температур выдерживает защитное гидрофобное покрытие от «Ростеха»?**
- От $-10$ до $+40 \text{ }^{\circ}C$.
- Только при комнатной температуре.
- От $-60$ до $+250 \text{ }^{\circ}C$. — верно
- От $0$ до $+100 \text{ }^{\circ}C$.
> Эти предельные значения обеспечивают надежную защиту памятников в разных климатических условиях.

**Что происходит при лазерной гравировке на коже?**
- Удаление части материала для нанесения изображения. — верно
- Растягивание материала до нужной формы.
- Окрашивание кожи кисточкой.
- Наклеивание дополнительных слоев кожи сверху.
> Это современная технология, основанная на испарении или выжигании верхнего слоя изделия.

## 2. Приставка «нано-»: мир в миллиард раз меньше

*Что такое нанометр и наноструктуры*

Как объяснить, насколько мал нанометр? Если взять шарик для игры размером с мраморный и сравнить с Землёй, то получится примерно то же, что метр и нанометр. Метр больше нанометра в миллиард раз.

**Приставка «нано-»**

**Приставка «нано-»** — одна миллиардная часть какой-то величины. Нанометр: $1$ нм $= 10^{-9}$ м.

**Шарик и планета**

Мраморный шарик так относится к Земле, как нанометр к метру: «нано» — это когда величина в миллиард раз меньше. Оговорка: сравнение приблизительное, оно нужно только чтобы почувствовать масштаб. Правило самопроверки: «нано» — это девять нулей после запятой, $10^{-9}$.

**Пример: Во сколько раз нанометр меньше миллиметра**

1. Миллиметр: $1$ мм $= 10^{-3}$ м.
2. Нанометр: $1$ нм $= 10^{-9}$ м.
3. Сравниваем: $\frac{10^{-3}}{10^{-9}} = 10^{6}$.
4. Вывод: нанометр меньше миллиметра в миллион раз.

**Проверь себя:** Что такое нанокомпозиты и что входит в их состав?
**Ответ:** Нанокомпозиты — композиционные материалы, в которые входят наночастицы и наноструктуры размером менее $100$ нм.

**Наноструктуры**

**Наноструктуры** — микроскопические объекты искусственного (синтетического) или естественного (природного) происхождения размером в несколько нанометров, построенные из атомов и молекул и обладающие строго определённой структурой, которая обусловливает их свойства.

**Конструктор из атомов**

Наноструктура похожа на модель из конструктора: детали (атомы) те же, но свойства модели зависят от того, как они сложены. Оговорка: в отличие от конструктора, атомы держатся химическими связями, а не защёлками.

**Нанотехнология**

**Нанотехнология** — совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических приложений в исследовании космоса, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, энергетике, строительстве, социальной сфере.

Заметь, как широко применяются нанотехнологии: от космоса до сельского хозяйства и строительства. Это одна из перспективных технологий, как и лазерные, и она нужна почти в любой отрасли.

Термин «нанотехнология» предложен в 1974 г. японским физиком Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки хрупких материалов.

### Проверь себя

**Что означает приставка «нано-» применительно к физическим величинам?**
- Одна миллиардная часть величины. — верно
- Одна тысячная часть величины.
- Десять миллиардов единиц.
- Одна миллионная часть величины.
> Это стандартное определение приставки в метрической системе, указанное в тексте.

**В каком году и кем был предложен термин «нанотехнология»?**
- В $1990$ г. группой российских ученых.
- В $1900$ г. Максом Планком.
- В $1960$ г. Альбертом Эйнштейном.
- В $1974$ г. Норио Танигучи. — верно
> Японский физик ввел этот термин при обсуждении проблем обработки хрупких материалов.

**Каков примерный размер наноструктур, из которых они строятся?**
- Более одного сантиметра.
- Размер не имеет значения, важен только состав.
- Несколько нанометров. — верно
- Несколько миллиметров.
> Наноструктуры — это объекты размером в миллиардные доли метра, сопоставимые с размерами молекул.

## 3. Углерод и материалы будущего

*Графен, карбин, фуллерены, композиты и умные материалы*

Углерод — «конструктор №1» нанотехнологий. Из одних и тех же атомов можно собрать плоский лист, длинную цепочку или шар, и свойства у них будут разные. Это и есть идея наноструктуры: свойства зависят от строения.

**Графен**

**Графен** — слой углерода толщиной в один атом.

**Карбин**

**Карбин** — длинные цепочки углерода, которые могут образовывать кольца (аллотропное соединение углерода).

**Фуллерены**

**Фуллерены** — пространственные сферообразные структуры углерода.

**Лист, нить и мяч**

Представь три формы из одного материала: **графен** — тончайший лист (один слой атомов), **карбин** — нить или цепочка, которая может замкнуться в колечко, **фуллерен** — шарик. Зацепка по форме: лист — графен, цепочка — карбин, шар — фуллерен. Оговорка: это упрощённые образы, а не точные модели.

**Три формы углерода**

| Признак | Графен | Карбин | Фуллерены |
| --- | --- | --- | --- |
| Форма | плоский слой | длинные цепочки, кольца | сферообразные структуры |
| Размер по толщине | один атом | цепочка атомов | пространственная структура |
| Образ | лист | нить | мяч |

Теперь о материалах, которые собирают из нескольких составляющих. Идея проста, как у железобетона: в одном материале соединяют вещества с разными свойствами, и получается материал с новыми свойствами.

**Композиты**

**Композиты** — материалы, включающие много составляющих с различными свойствами (в результате получается материал с новыми свойствами).

**Бутерброд свойств**

Композит — как бутерброд или салат: у каждой составляющей своя роль, а вместе получается то, чего нет у каждой по отдельности. Зацепка по названию: стекло — стеклопластик, углерод (уголь) — углепластик.

**Композиты и их виды**

| Материал | Что в составе | Особенность |
| --- | --- | --- |
| Стеклопластики | полимер и стеклянные волокна | полимерный композит |
| Углепластики | полимер и углеродные волокна | полимерный композит |
| Нанокомпозиты | наночастицы и наноструктуры | размер частиц менее $100$ нм |

**Стеклопластики**

**Стеклопластики** — полимерные композиционные материалы, в состав которых введены стеклянные волокна.

**Углепластики**

**Углепластики** — полимерные композиционные материалы, в состав которых введены углеродные волокна.

**Нанокомпозиты**

**Нанокомпозиты** — композиционные материалы, в которые входят наночастицы и наноструктуры размером менее $100$ нм.

**Умные (интеллектуальные) материалы**

**Умные (интеллектуальные) материалы** — материалы, свойства которых обратимо или необратимо изменяются под внешними воздействиями давления, влажности, температуры, электрических и магнитных полей, что позволяет использовать их как сенсоры (датчики), чувствительные к внешним воздействиям.

**Материал-датчик**

Умный материал «чувствует» окружающую среду, как кожа чувствует жар или давление, и меняет свои свойства. Благодаря этому сам материал работает как датчик. Оговорка: он не «думает», просто его свойства меняются под воздействием.

**Неправильно:** Графен — это толстый слой углерода, а фуллерены — длинные цепочки.
**Правильно:** Графен — слой толщиной в один атом; длинные цепочки — это карбин; фуллерены — сферообразные структуры.

**Проверь себя:** Что объединяет стеклопластики и углепластики и чем они отличаются?
**Ответ:** Оба — полимерные композиционные материалы с введёнными волокнами. В стеклопластиках волокна стеклянные, в углепластиках — углеродные.

**Почему «новые свойства» — не магия**

В композите каждая составляющая берёт на себя свою работу. В нанокомпозитах частицы настолько малы (менее $100$ нм), что их свойства определяются строением на уровне атомов и молекул, как и у любых наноструктур.

### Проверь себя

**Что представляет собой графен?**
- Смесь графита с пластиком.
- Слой углерода толщиной в один атом. — верно
- Пространственная решетка из кремния.
- Сверхпроводящий металл.
> Это уникальная двумерная структура углерода с выдающимися свойствами.

**На сколько процентов использование композитов позволяет снизить вес летательных аппаратов?**
- На $5$—$30 \ %$ — верно
- Вес увеличивается из-за сложности структуры.
- На $50$—$70 \ %$
- Менее чем на $1 \ %$.
> Снижение веса при сохранении прочности — главная причина использования композитов в авиации.

**В чем главное отличие нанокомпозитов от обычных композиционных материалов?**
- Они всегда прозрачны для видимого света.
- В них входят наночастицы и наноструктуры размером менее $100 \text{ нм}$. — верно
- Они могут производиться только в космосе.
- Они состоят только из одного химического элемента.
> Наличие компонентов наноразмера придает материалу принципиально новые свойства.

**Какие материалы называют «умными» (интеллектуальными)?**
- Компьютерные процессоры последнего поколения.
- Металлы, которые никогда не ржавеют.
- Материалы, свойства которых обратимо меняются под внешними воздействиями. — верно
- Материалы, способные самостоятельно перемещаться в пространстве.
> Такие материалы реагируют на давление, температуру или поля, действуя как сенсоры.

**Какая аллотропная форма углерода представляет собой длинные цепочки, способные образовывать кольца?**
- Карбин. — верно
- Стеклопластик.
- Алмаз.
- Графит.
> Карбин обладает цепочечной структурой и уникальными электрическими свойствами.

**Какую форму имеют молекулы фуллеренов?**
- Пространственные сферообразные структуры. — верно
- Плоские шестиугольные чешуйки.
- Беспорядочные скопления атомов.
- Тонкие вытянутые иглы.
> Фуллерены — это замкнутые многогранники из атомов углерода, напоминающие сферы.

**В каком природном минерале были обнаружены фуллерены и углеродные нанотрубки?**
- Кварц.
- Шунгит. — верно
- Гранит.
- Мрамор.
> Этот минерал обладает антиоксидантными свойствами именно благодаря природным наноструктурам.

**Против каких организмов эффективен медицинский препарат на основе наночастиц серебра?**
- Только крупные паразиты.
- Исключительно вирусы гриппа.
- Полезные лактобактерии.
- Вирусы, бактерии и грибки. — верно
> Ученые из Томска создали препарат универсального антисептического действия.

**Какую функцию выполняют углеродные нанотрубки при использовании их в компьютерах?**
- Смазка для отвода тепла. — верно
- Замена электрических проводов на пластиковые.
- Хранение всей текстовой информации.
- Увеличение яркости монитора.
> Благодаря уникальной теплопроводности они помогают охлаждать элементы ПК.

**Какое свойство «умных» материалов позволяет использовать их в качестве датчиков?**
- Способность светиться в темноте без батареек.
- Чувствительность к внешним воздействиям (давлению, влажности и др.). — верно
- Постоянство всех характеристик в любых условиях.
- Высокая хрупкость при нагревании.
> Изменение свойств в ответ на стимулы позволяет фиксировать эти изменения как сигнал.

**Что входит в состав стеклопластиков?**
- Чистое расплавленное стекло.
- Углеродные нити, покрытые лаком.
- Полимерная основа и стеклянные волокна. — верно
- Смесь песка и бетона.
> Это композиционный материал, где волокна стекла обеспечивают армирование.

**Как называется профессия специалиста, работающего в области нанотехнологий?**
- Микробиолог.
- Лазерный хирург.
- Астрофизик.
- Нанотехнолог. — верно
> Это одна из востребованных профессий, упомянутых в конце параграфа.

**Какое свойство шунгита помогает оздоравливать организм человека?**
- Выделение радиоактивного излучения.
- Повышение температуры воды до кипения.
- Придание воде вкуса фруктов.
- Способность очищать воду от растворенных примесей. — верно
> Эффективная очистка воды делает её полезной для здоровья, что отмечено в источнике.

## Ключевые термины

- **Лазерные технологии** — процессы обработки, изготовления, изменения состояния свойств и формы материалов, осуществляемые посредством лазерного излучения.
- **Лазерная гравировка и резка на коже и кожзаменителях** — современная технология нанесения изображения на поверхности изделий из этих материалов, основанная на удалении части материала.
- **Приставка «нано-»** — одна миллиардная часть какой-то величины.
- **Нанотехнология** — совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических приложений в исследовании космоса, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, энергетике, строительстве, социальной сфере.
- **Наноструктуры** — микроскопические объекты искусственного (синтетического) или естественного (природного) происхождения размером в несколько нанометров, построенные из атомов и молекул и обладающие строго определённой структурой, которая обусловливает их свойства.
- **Графен** — слой углерода толщиной в один атом.
- **Композиты** — материалы, включающие много составляющих с различными свойствами (в результате получается материал с новыми свойствами).
- **Стеклопластики** — полимерные композиционные материалы, в состав которых введены стеклянные волокна.
- **Углепластики** — полимерные композиционные материалы, в состав которых введены углеродные волокна.
- **Нанокомпозиты** — композиционные материалы, в которые входят наночастицы и наноструктуры размером менее $100$ нм.
- **Умные (интеллектуальные) материалы** — материалы, свойства которых обратимо или необратимо изменяются под внешними воздействиями давления, влажности, температуры, электрических и магнитных полей, что позволяет использовать их как сенсоры (датчики), чувствительные к внешним воздействиям.
- **Карбин** — длинные цепочки углерода, которые могут образовывать кольца (аллотропное соединение углерода).
- **Фуллерены** — пространственные сферообразные структуры углерода.

## Итог

- Лазерные технологии — обработка материалов лазерным излучением; они точные, без механического воздействия, возможна обработка на воздухе без вредных отходов
- Лазерные швы прочнее электросварочных, а упрочнение увеличивает срок службы деталей в 3—10 раз
- «Нано-» — одна миллиардная часть величины: $1$ нм $= 10^{-9}$ м
- Графен — слой в один атом, карбин — цепочки, фуллерены — сферы; все из углерода
- Композиты соединяют разные свойства; нанокомпозиты содержат наночастицы и наноструктуры размером менее $100$ нм

## Шпаргалка

### Ключевые термины

- **Лазерные технологии** — обработка материалов лазерным излучением
- **Приставка «нано-»** — одна миллиардная часть величины
- **Наноструктуры** — объекты в несколько нанометров с определённой структурой
- **Композиты** — материалы из составляющих с разными свойствами
- **Умные материалы** — свойства меняются под внешним воздействием, работают как датчики

### Масштаб «нано»

- **$1$ нм** — $10^{-9}$ м
- **$1$ мм** — $10^{-3}$ м, в миллион раз больше нанометра
- **$d < 100$ нм** — частицы нанокомпозитов

### Формы углерода

|  | Графен | Карбин | Фуллерены |
| --- | --- | --- | --- |
| Форма | слой | цепочки, кольца | сферы |
| Образ | лист | нить | мяч |

### Плюсы лазерной обработки

- **Механическое воздействие** — отсутствует
- **Отходы** — вредных нет, обработка на воздухе
- **Лазерная сварка** — шов прочнее электросварки в несколько раз
- **Срок службы деталей** — больше в 3—10 раз

## Любопытное

- Термин «нанотехнология» предложил в 1974 г. японский физик Норио Танигучи, когда обсуждал проблемы обработки хрупких материалов.
- Из всех применений лазеров на обработку материалов приходится 25%, на медицину — 8%, а основная доля (67%) — связь и хранение данных.