Никитин Павел, Никифоров Иван МОУ «Лицей 2», 10 класс Научные руководители: Учитель химии Мокеева Н.Л. Кандидат физ-мат наук Смирнов В.М.

В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Первое упоминание в области нанотехнологий было сделано в 1867 году Джеймсом Максвеллом. А первые наблюдения и измерения размеров наночастиц были сделаны во время первого десятилетия 20 века Ричардом Адольфов Зигмонди. В 1920-х годах, Ирвинг Ленгмюра и Кэтрин Б. Блоджетт ввели понятие монослоя, слой материала толщиной в одну молекулу. В начале 1950-х, Дерягиним и Абрикосовой проведены первые измерения поверхностных сил. А уже в конце XX века начале XXI века стали появляться предприятия, которые производят наноматериалы. В нашей республике также есть такое предприятие ООО НПП «Иннотех» на базе машиностроительного факультета Чувашского государственного университета им. И.Н.Ульянова. На этом предприятии получают объемно наноструктурные материалы на основе меди.

Целью данного исследования является проведение физико- химического анализа объемно наноструктурного материала на основе меди. Для достижения цели нами были поставлены следующие задачи: Выяснить, что такое наноматериалы, нанотехнологии и наноструктурные материалы; Узнать каким методом получают объемно наноструктурные материалы на основе меди на предприятии ООО НПП «Инотех»; Рассмотреть какие возможные реакции будут проходить между веществами в процессе получения материала; Просканировать поверхность образца объемно наноструктурного материала для определения его структуры и примесей в образце; Определить с помощью качественного анализа наличие образовавшихся веществ в исследуемом материале.

Для решения поставленных в работе задач нами были использованы такие методы исследования, как работа с литературой и Интернет ресурсами, сканирующая зондовая микроскопия, термодинамические расчеты, качественный анализ. Объектом исследования являются объемно наноструктурные материалы. Предметом исследования являются объемно наноструктурные материалы на основе меди, полученные на предприятии ООО «НПП «Инотех».

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники. Наноматериалы материалы, созданные с использованием наночастиц и посредством нанотехнологий. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм Объемные наноструктурные материалы - это материалы, находящиеся в наноструктурном состоянии и используемые для изготовления конструкций разного назначения, деталей машин и механизмов.

Объемные наноструктурные материалы получают, в основном, методами кристаллизации из аморфного состояния, интенсивной пластической деформации и порошковой металлургии. А объемно наноструктурный материал на основе меди, получаемый на предприятии ООО НПП Инотех, получают с помощью процесс ов механического легирования и горячей экструзии.

Механическое легирование является уникальным процессом производства соединений разнородных составляющих в форме порошка. Продуктом процесса является композиционный порошок, состоящий из однородной гомогенной смеси всех компонентов. Механическое легирование позволяет получить соединения типа металл (сплав) – оксид или даже несмешивающиеся комбинации металла с металлом. Процесс механического легирования обычно подразделяется на пять последовательных стадий

1. Стадия, в течение которой происходит увеличение количества частиц более грубых и более тонких, чем при начальной загрузке.

2. Стадия сваривания, в течение которой более крупная фракция порошка увеличивается, в то время как фракция более мелкого размера остается приблизительно постоянной

3. Стадия образования равноосных частиц, во время которой резко уменьшается количество крупных пластинчатых частиц и образуются более равноосные частицы

4. Происходит произвольная ориентация участков сварки, при которой образуются округлые конгломераты из композиционных частиц, свариваемых друг с другом без какой-либо предпочтительной ориентации

5. Стадия механического легирования – имеет место, когда достигается устойчивое состояние распределения частиц по размерам

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы.

Исходные материалы: 1) медный порошок ПМС-1 (99,25 % по массе) ; 2) порошок алюминия (0,5 % по массе); 3) графит (0,25 % по массе). Стадия механическое легирование: в аттритор всыпаются порошки ПМС-1 и легирующих элементов, а также металлические шарики диаметром 8 мм в отношении 1:15 по объему. Стадия горячая экструзия: конечные процесс получения объемно наностктурного материала на основе меди.

2Cu+O 2 2CuO 4Cu+O 2 2Cu 2 O 4Al+3O 2 2Al 2 O 3 C+O 2 CO 2 4Al+3C Al 4 C 3 CO+CuO Cu+CO 2 6CO+Al 4 C 3 2Al 2 O 3 +9C CuO + Cu Cu 2 O Al 2 O 3 + 3CO 2 Al 2 (CO 3 ) 3 CO + O 2 2CO 2 CO 2 + C 2CO

,где

Реакция H, кДж/моль· К S, Дж/моль·К G, кДж/моль·К T, К 2Cu+O 2 2CuO ,7 4Cu+O 2 2Cu 2 O ,6 4Al+3O 2 2Al 2 O ,6 C+O 2 CO Al+3C Al 4 C ,7 CO+CuO Cu+CO ,3 CuO + Cu 2Cu 2 O ,5 6CO+Al 4 C 3 2Al 2 O 3 +9C

Растворение оксида: CuO + 2HCl CuCl 2 + H 2 O CuO + 2H + + 2Cl - Cu Cl - + H 2 O CuO + 2H + Cu +2 + H 2 O Определение ионов Cu +2 : CuCl 2 + 2NaOH Cu(OH) 2 + 2NaCl Cu Cl - + 2Na + + 2OH - Cu(OH) 2 + 2Na + + 2Cl - Cu OH - Cu(OH) 2

ОБРАЗЕЦНАБЛЮДЕНИЕ 1 Образуется голубой студенистый осадок, но сравнительно мало 2Образуется голубой студенистый осадок 3Образуется голубой студенистый осадок, но меньше чем в образце 2

Растворение оксида: Cu 2 O + 2HCl 2CuCl + H 2 O Cu 2 O + 2H + + 2Cl - 2Cu + + 2Cl - + H 2 O Cu 2 O + 2H + 2Cu + + H 2 O Определение ионов Cu + : СuCl + H 2 O CuOH + HCl Cu + + Cl + H 2 O CuOH + H + + Cl Cu + + H 2 O CuOH + H +

ОБРАЗЕЦНАБЛЮДЕНИЕ 1Образуется белый творожистый осадок, но мало 2Образуется белый творожистый осадок 3Образуется белый творожистый осадок, но меньше чем в образце 2

Растворение оксида: Al 2 O 3 + 6HCL 2AlCl 3 + 3H 2 O Al 2 O 3 + 6H + + 6Cl - 2Al Cl - + 3H 2 O Al 2 O 3 + 6H + 2Al H 2 AlCl 3 + 3NaOH Al(OH) 3 + 3NaCl Al Cl - + 3Na + + 3OH - Al(OH) 3 + 3Na + + 3Cl - Al OH - Al(OH) 3

Al(OH) 3 + 3HCl AlCl 3 + 3H 2 O Al(OH) 3 + 3H + + 3Cl - Al +3 +3Cl - + 3H 2 O Al(OH) 3 + 3H + Al H 2 O Al(OH) 3 + NaOH Na[Al(OH) 4 ]+ 2H 2 O Al(OH) 3 + Na + + OH - Na + + [Al(OH) 4 ] + 2H 2 O Al(OH) 3 + OH - [Al(OH) 4 ] + 2H 2 O

ОБРАЗЕЦНАБЛЮДЕНИЕ 1 Образуются голубой студенистый осадок, который растворяется в соляной кислоте, но не в гидроксиде натрия, и белый осадок, который растворяется так и в соляной кислоте так и в гидроксиде натрия 2Образуются голубой студенистый осадок (но меньше чем в образце 1), который растворяется в соляной кислоте, но не в гидроксиде натрия, и белый осадок, который растворяется так и в соляной кислоте так и в гидроксиде натрия

AlCl 3 + 2Na 2 HPO 4 AlPO 4 + NaH 2 PO 4 + 3NaCl Al Cl - + 4Na + + HPO 4 -2 AlPO 4 + Na - + H 2 PO Na + + 3Cl - Al +3 + HPO 4 -2 AlPO 4 + H 2 PO 4 -

ОБРАЗЕЦНАБЛЮДЕНИЕ 1Образуется белый осадок в виде белых хлопьев 2Образуется белый осадок в виде белых хлопьев, но меньше чем в образце 1

В процессе работы мы узнали, что такое нанотехнологии, наноматериалы, объемно наноструктурный материал и рассмотрели процесс получения наноматериалов, состоящего из двух стадий: механическое легирование и экструзии. Для того чтобы узнать какие вещества могут образовываться в процессе получения объемно наноструктурного материала на основе меди нами при помощи термодинамических характеристик веществ были проведены термодинамические расчеты. Для определения структуры материала нами был просканирован образец наноструктурного материала на основе меди, получаемого на предприятии ООО НПП Инотех на СЗМ «NanoEnducator». С помощью качественных реакций мы доказали наличие оксидов меди (I) и (II), оксид алюминия в исследуемых образцах наноструктурного материала на основе меди.