Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ДОСЯГНЕННЯ НАУКОВО-ТЕХНІЧНОГО ПРОГРЕСУ

ВСТУП

Революційні зміни у фізиці, поява квантової механіки й теорії відносності на початку XX ст. призвели до нових взаємозв'язків у складній системі наука — техніка — виробництво. Фізика, як і раніше, залишається однією з наук, що роблять вирішальний внесок у науково-технічний прогрес. Цілий ряд напрямків фізичної науки є зараз пріоритетними, визначальною є першість фізики як у пізнанні законів природи, так і у використанні цих законів у суспільному виробництві. Виділення таких пріоритетних напрямків — завдання не з легких, з огляду на безліч напрямків сучасної фізики. Виділимо кілька напрямків, пов’язаних з курсом фізики в старшій школі.

НАДЧИСТІ Й НАДМІЦНІ РЕЧОВИНИ

Технічний розвиток має за мету не просто одержання великої кількості матеріалів, а створення матеріалів з певними властивостями. Адже нові властивості матеріалів не тільки дозволяють удосконалити окремі прилади або технології, але й сприяють появі продуктивніших технологій, цілих галузей промисловості. Так, наприклад, електронна промисловість безпосередньо пов’язана з одержанням матеріалів високої й надвисокої чистоти. При створенні таких матеріалів використовуються досягнення фізики твердого тіла, пов’язані з розвитком уявлень про модель ідеального твердого тіла, що має бездефектну будову й абсолютну чистоту.

Реальні кристалічні структури, як правило, класифікуються за ступенем їхнього відхилення від ідеального кристала. Такі відхилення виникають з двох основних причин: якщо окремі атоми витиснуті атомами іншої речовини або атоми не займають призначених їм місць у кристалічних гратках.

На використанні різних дефектів у кристалах грунтується, як правило, вся напівпровідникова технологія. Дифузійним введенням у надчисті матеріали дуже малих добавок акцептора або донора одержують області з п-р-провідністю. Якщо ж, наприклад, фосфоровмісний n-провідний кремній обробити в атмосфері парів бора

(а бор — р-провідний), то вийдуть почергові зони з n- і р-провідністю.

Дослідження в галузі високочистих матеріалів призвели до відкриття принципово нових можливостей електроніки. Насамперед дозволили створити сучасну мікропроцесорну техніку.

Одним із основних матеріалів мікроелектроніки є дуже чистий германій. Великі монокристали германію вирощують із розчину, розплаву або газової фази. Наприклад, вирощений з розчину маленький кристал германію поміщають у насичений водяний розчин, що починають випарювати. Через те що солі осаджуються на кристалі, він збільшується. Кристали, вирощені в трьох фазах, досягають величезних розмірів: 30-40 см завдовжки й 5- 10 см у діаметрі.

Із цих монокристалів-гігантів германію (або кремнію) вирізують безліч пластинок завширшки менше міліметра, які протравлюють, полірують. Кремнієві пластинки використовуються для створення інтегральних схем. Сучасний рівень технології дозволяє на пластині кремнію площею в кілька квадратних міліметрів розпорошити десятки тисяч електронних елементів. Ці успіхи електроніки пов’язані з точним знанням фізичною наукою властивостей і структури твердих тіл.

Звичайно, фізика відіграє й відіграватиме певну роль у розвитку електроніки — найважливішого напрямку науково-технічного прогресу. При цьому досить важливим є також те, що вагомими стають ті розділи фізичної науки, які ще кілька років назад здавалися досить далекими від практики. Наприклад, у технології мікроелектроніки при мініатюризації елементів використовують хвильові явища й квантовомеханічні принципи проектування елементів.

Дедалі більшого значення набувають металеві монокристали високої чистоти. Ці метали, на відміну від звичайних, більш анізотропні, їх властивості істотно залежать від обраного напрямку. Ідеальний монокристал складається з позитивних іонів (їх 1022-1023 в 1 см3) і такої ж кількості електронів. Але навіщо ж домагатися настільки високої чистоти металів (а це завдання дуже складне)? Виявляється, метали високої чистоти в порівнянні зі звичайними характеризуються кориснішими в технічному

відношенні властивостями. Наприклад, звичайне, найпоширеніше залізо крихке при температурі -40 °С. Але особливо чисте залізо -30, що містить 99,999 % основної речовини, зберігає пластичність до температур рідкого азоту (-195 °С). Для одержання металевого монокристалу застосовуються різні методи. Один з найпоширеніших — зонна плавка електронним променем.

Сучасне виробництво не завжди задовольняє якість матеріалів, насамперед міцність багатьох металевих матеріалів. Зараз переважна частина металевих матеріалів виробляється методами традиційної металургії: плавлення металевих заготовок — кристалізація розплаву в злиток — надання необхідних форм і розміру злитку різними методами обробки металів і тиском. Дослідження показали, що саме на етапі кристалізації утворюється надлишок дефектів кристалічної структури, що істотно знижують властивості міцності матеріалів. І тут сучасна металургія знаходить нові шляхи розвитку.

ПОРОШКОВА МЕТАЛУРГІЯ

Атоми металу, що перебували в розплаві в неупорядкованому русі, при кристалізації займають місця в кристалічних гратках, утворюючи дальній порядок граток. У процесі кристалізації відбувається ріст зерен металу. Розмір цих зерен і властивості міцності визначаються часом кристалізації: чим він триваліший, тим більший розмір зерен і гірші властивості міцності. Методи традиційної металургії забезпечують швидкість охолодження не більше ніж 1 °С/с.

Саме пошук шляхів зменшення часу кристалізації (тобто підвищення її швидкості) і призвів до технології порошкової металургії. Підвищення швидкості затвердіння металевих гранул до 10 000 °С/с дозволяє збільшити дисперсність металу, створити міцний метал. Відбувається це так. Струмінь розплавленого металу розпорошується на дрібний металевий пил потоком нейтрального газу. Розмір гранул — 5-500 мкм, а зерен кристалів істотно менше, ніж при методах традиційної металургії.

Утворення гранул — лише перший етап порошкової металургії. Далі з цих гранул у спеціальних камерах при тиску близько 2-107 Па і температурі 1200 °С отримують монолітні вироби, що характеризуються вищою міцністю, особливо в сфері високих температур, ніж метали, отримані методами традиційної металургії.

Методом порошкової металургії одержують зараз лопаті для реактивних турбін, які витримують високі температури й великі тиски. А підвищення температури в реактивному двигуні літака визначає зростання його тяги.

Але не тільки пресування моноліту з гранул становить основу порошкової металургії. Зовсім необов'язково пресувати всю деталь цілком з порошку. Майже настільки ж ефективно можна напилити, використовуючи плазмотрон, порошок на поверхню деталі. Наприклад, напилювання порошку на поверхню сталевих деталей практично в 10 разів збільшує їх стійкість до корозії.

Величезний економічний ефект дає метод відновлення зношених деталей. Адже деталі (наприклад, шестірні в передачах) доводиться заміняти, якщо робочі поверхні зношені на 0,1-0,5 мм. Наносячи порошок на поверхню, відновлюють деталі. І тут економія величезна: не треба робити нові деталі, витрачаючи на це матеріали, енергію, працю.

Узагалі проблема міцності, особливо жароміцності, — одна з визначальних для технічного прогресу. Тут багато рішень пов'язано зі створенням жароміцних сплавів, властивості яких визначаються міцністю міжатомних зв’язків у металі — основі сплаву. Для жароміцних сплавів діапазон робочих температур лежить в інтервалі від 0,3 до 0,6 tпл. Підвищення температури вище 0,6 tпл. призводить до руйнування металу.

Зараз застосовуються такі основні фізико-хімічні методи підвищення міцності: здрібнювання зерен (збільшення дисперсності), уведення легувальних добавок або частини нової фази, які призводять до зміни поверхневих властивостей.

Метод введення легувальних добавок відомий здавна. Застосовуються сплави основних металів з найрізноманітнішими добавками — хром, вольфрам, тантал, ніобій, реній. Однак багато добавок, наприклад ніобій, тантал, реній (особливо реній), надзвичайно рідкісні, тому дуже дорогі. Хром дуже крихкий, ця його властивість позначається на якості сплаву.

ДИФУЗІЙНЕ ЗВАРЮВАННЯ

Явище дифузії визначає досить важливу сучасну технологію — дифузійне зварювання у вакуумі. У її основі лежать дві необхідні умови: міцний фізичний контакт поверхонь, що зварюються, і утворення хімічних зв'язків між атомами й іонами. Ці умови забезпечують можливість з’єднання матеріалів із суперечливими, іноді протилежними властивостями: різними тепло- і електропровідностями, пластичністю й крихкістю, малими й високими температурами плавлення. Методом дифузійного зварювання у вакуумі з’єднують, наприклад, кварц із міддю й алюмінієм, сталь із графітом.

Для здійснення дифузійного зварювання у вакуумі необхідне виконання ряду умов. Після підготовки контактних поверхонь деталі поміщають у вакуумну установку (у ряді випадків її не вакуумують, а заповнюють інертним газом). Потім включають нагрівачі й під високим тиском зварюють деталі, які притискають одна до одної. Фізичний контакт забезпечується стисненням при температурах близько 0,5-0,75 tпл. (tпл. — температура плавлення більш легкоплавкого матеріалу). Міцність хімічних зв’язків забезпечується електронним обміном, що призводить до утворення найміцніших хімічних зв’язків — ковалентних або іонних.

Вакуум необхідний для запобігання окислюванню металевих поверхонь при високих температурах, тому що нагрівання активує матеріали, сприяє прискоренню хімічних реакцій.

Одна з переваг цього методу — його екологічна чистота. Слід зазначити також можливість одержання деталей різноманітної форми. Не менш важливою є також висока якість деталей при збереженні вихідних властивостей. При цьому методі зварювання відпадає потреба в електродах, флюсах і багато чому іншому, обов’язковому для технології традиційного зварювання.

Використання цього методу дозволяє вирішити завдання, практично безнадійні для традиційного зварювання, наприклад з’єднати мідь із графітом. Утворення хімічних сполук або твердих розчинів між цими матеріалами неможливе при жодному нагріванні. Натомість методом дифузії у вакуумі мідь із графітом з’єднати можна, використовуючи третю, проміжну речовину, з якою з’єднуються й мідь, і графіт. Виходить тришарова сполука.

МОЛЕКУЛЯРНИЙ КОМП’ЮТЕР

Про молекулярні комп’ютери говорять давно. Як далеко просунулися вчені? Чи не зник інтерес до таких досліджень? Ні, не зник, навпаки, ними активно займаються в багатьох країнах світу, і незважаючи на те що перспектива створення серійного комп’ютера на молекулах усе ще здається досить віддаленою, деякі успіхи є. Більше того, учені, що працюють у цій галузі, стверджують, що молекулярні комп’ютери замінять кремнієві уже через 20- 25 років. А ще через 10-20 років буде створене нове покоління значно ефективніших квантових комп’ютерів і ДНК-комп’ютерів.

Що таке молекулярний комп’ютер? Це пристрій, у якому замість кремнієвих чинів, застосовуваних у сучасних комп’ютерах, працюють молекули й молекулярні ансамблі. В основі нової технологічної ери лежать так звані «інтелектуальні молекули». Такі молекули (або молекулярні ансамблі) можуть існувати у двох термодинамічно стійких станах, кожен з яких має свої хімічні й фізичні властивості. Переводити молекулу з одного стану в інший можна за допомогою світла, тепла, хімічних агентів, електричного й магнітного поля й т. ін. Фактично такі бістабільні молекули, здатні до перемикання — це нанорозмірна двобітова система, що відтворює на молекулярному рівні функцію класичного транзистора.

Особливо цікаві такі перетворення бістабільних молекул, після яких сильно змінюється їх електронна конфігурація. Наприклад, після ізомеризації в молекулі утворюється єдина сполучена електронна система, отже, з’являється здатність проводити електричний струм. Можуть змінюватися також інші властивості: спектри поглинання зрушуватися у видиму ділянку, виникати нелінійні оптичні властивості й, що є особливо цінним, флуоресценція.

Інтерес до створення молекулярних комп’ютерів не випадковий. Продуктивність комп’ютера пропорційна кількості транзисторів па одиницю площі інтегральної схеми. На процесорному чипі сучасного комп’ютера розташовано до ста мільйонів транзисторів, і набагато більше розмістити вже навряд чи вдасться, оскільки доведені до досконалості технології виробництва вже досягли свого піка.

Транзистор — це два електроди на кремнієвій підкладці, струм між якими регулюється потенціалом, що полається на третій керуючий електрод-затвор. Критичний елемент кремнієвого транзистора, через який не можна зробити його набагато меншим, — товщина ізолювального шару оксиду силіцію між затвором і провідним шаром. Сучасні технології вже дозволяють зробити його завтовшки 0,13 мкм (130 нм), що відповідає приблизно 1/1000 товщини людського волосся. У перспективі, років через десять, можливо, вдасться досягти товщини 0,09 мікрона. Незважаючи на те що технології виробництва ізолювального шару оксиду силіцію вдосконалюються, й він стає тоншим, у нього існує фізична межа — не більше 4- 5 молекул (1,5-2 мкм). У тонших шарах починаються неконтрольовані процеси тунелювання електронів і перегріву, які порушують роботу транзисторів і обчислювальної системи загалом.

Ще 1959 р. Річард Фсйнман підкреслив, що молекули, які характеризуються певними властивостями, можуть працювати перемикачами й замінити собою транзистори, а технічний прогрес уможливить і маніпуляції з окремими атомами й молекулами. Це пророкування починає збуватися. Розміри майбутнього молекулярного транзистора будуть на два порядки менше від наймініатюрніших кремнієвих. Оскільки продуктивність комп’ютера пропорційна кількості транзисторів на одиниці площі, то виграш у продуктивності буде величезним. Так, якщо зменшити розмір транзистора до молекулярних розмірів (приблизно до одного нанометра), то на одиниці площі інтегральної системи поміститься приблизно в мільйон разів більше транзисторів. Якщо на додачу до цього час відгуку зменшиться до мемтосекунд (на шість порядків), а саме таким є час перебігу елементарної хімічної реакції, — то ефективність молекулярного комп’ютера може виявитися в 100 млрд раз вищою, ніж сучасного кремнієвого.

Архітектура кожного комп’ютера включає три основні елементи: перемикачі, пам’ять, з’єднувальні дроти. Усі елементи в молекулярних комп’ютерах відрізнятимуться від їхніх аналогів у нинішніх обчислювальних пристроях. Бістабільними молекулами-перемикачами будуть керувати світлові й електричні імпульси або електрохімічні реакції. Пам’ять може працювати на принципі запам’ятовування оптичних або магнітних ефектів, а провідниками можуть стати нанотрубки або сполучені полімери. Зараз уже створені численні варіанти всіх основних складників комп’ютера майбутнього. Розглянемо їх окремо.

Найефективніші молекулярні перемикачі грунтуються на фотохромних сполуках, які ізомеризуються при переході у вищі збуджені електронні стани. Це може бути процес цис-транс-ізомеризації, перициклічних перетворень, фотоперенесення протона. Після перемикання кардинально перебудовується електронна конфігурація системи, а її геометрія залишається практично колишньою. Перспективними є також просторові ізомери супрамолекул: моношар молекул катенану — сполуки, циклічні фрагменти якої пов'язані подібно до ланок ланцюга — поміщають між металевим і кремнієвим електродами. Після електричного окиснювання супрамолекули на одній з її частин з’являється додатковий позитивний заряд. Оскільки у вихідній формі ця частина сусідить із однойменним зарядом, то після окиснювання полюси відштовхуються й молекула перегруповується. Утворюється друга стабільна форма й змінюється електричний опір. Головна перевага такого перемикача — його надзвичайно висока стійкість. Цикл окиснювання-відновлення катенану можна здійснювати 10-20 тис. разів без помітного руйнування супрамолекулярної системи.

Переходимо до пам’яті. Сьогодні застосовують магнітні й оптичні носії пам’яті, які Грунтуються на принципі двовимірного запису, і це обмежує обсяги записуваної інформації. Стандартний диск CD-ROM діаметром 12 см може містити приблизно 0,5 гігабайт (4 • 109 біт) даних. Теоретична щільність оптичного запису інформації обернено пропорційна квадрату довжини хвилі використовуваного для запису світла, тому межа можливостей одношарового компакт-диску дорівнює 3,5 • 108 біт/см2 (для світла з довжиною хвилі 532 нм).

Пам’ять молекулярного комп’ютера грунтуватиметься на тих самих принципах, що й перемикачі, у її основі — бістабільні молекулярні структури і їх перетворення.

Учені припускають, що в молекулярних комп’ютерах можна буде записувати оптичну інформацію не тільки на поверхні активного середовища, як це робиться сьогодні, а в повному обсязі, тобто пам'ять стане тривимірною. Якщо використовувати для запису весь обсяг зразка, то щільність запису на тривимірному носії з тим самим джерелом світла буде вже 6,5 • 1012 біт/см2, на чотири порядки більше. Якщо ж застосовувати твердіше випромінювання, то обсяг записуваної інформації збільшується ще на порядок.

Але для того щоб зробити пам’ять тривимірною, використовують метод двотонного поглинання. Уперше принципову можливість такої схеми довів П. Рентцепіс наприкінці 80-х рр. XX ст. Він використовував для цього, зокрема, фотохромну спіропіранову систему. Поглинувши два фотони, молекула А перегрупується в забарвлену мероциманінову форму В. Зчитування записаної в такий спосіб інформації відбувається при реєстрації флуоресценції молекули В, також збуджуваної двоквантовим переходом. Флуоресценція — не єдиний, але внаслідок особливо високої чутливості найпривабливіший метод зчитування записаної інформації.

Нарешті, третій компонент молекулярних комп’ютерів — провідники, що забезпечують сполучення між молекулярними транзисторами й молекулярними пристроями нам’яті. Дизайн провідників, що також мають наноскопічні розміри, учені ведуть у трьох основних напрямках. Перший — це провідні полімери: допірований поліацетилен (Нобелівська премія 2000 р.), політіофен, поліанілін та ін. Другий — різні органічні провідники, що характеризуються досить високою провідністю. Усі вони являють собою довгі сполучені молекули, у яких електрон переноситься ланцюгом П-зв’язків. Якщо до кінців такого сполученого ланцюга приєднати металовмісні групи, то окиснення або відновлення однієї з них забезпечить достатню провідність в усьому ланцюзі. Комбінуючи допіровані (провідні) і недопіровані (із властивостями ізоляторів або напівпровідників) ділянки полімерів, можна одержувати електричні контури з потрібними властивостями.

Особливі надії покладають на третій тип провідників — нанотрубки. Нанотрубки з одно- або багатошаровими стінками виходять при проходженні електричного розряду між двома графітовими електродами. Довжина одностінних нанотрубок може досягати декількох мікрометрів (діаметр близько 1 нм), причому на відрізках по 150 нм зберігаються металеві властивості. Вуглецеві або боразотові нанотрубки можна заповнювати металами й одержувати в такий спосіб одномірні провідники, що складаються з ланцюжків атомів металів. З одностінними нанотрубками вдається зробити ще цікавіші речі. За допомогою атомно-силового мікроскопа, скручуючи одношарову нанотрубку, удалося одержати ділянки, на яких опір досягає 50 кОм, у результаті чого утворюється бар’єр для руху електрона. При однобічній напрузі можна перемикати стани одиостінної нанотрубки: «провідний» — «непровідний», переміщаючи тільки один електрон. Фактично це прототип транзистора на одному електроні.

Молекулярні транзистори, пам’ять і провідники — три складові частини майбутнього молекулярного комп’ютера, і в їхньому створенні окремо, як ми бачимо, є значні успіхи. Але найскладніше завдання — зібрати всі компоненти в працюючий пристрій. До його розв’язання ще далеко. Однак шлях, яким треба йти, цілком зрозумілий: це принцип молекулярного розпізнавання, відповідальний за самоскладання й самоорганізацію складних ансамблів і агрегатів молекул. Цей самий принцип лежить в основі походження життя й саме його використовує природа для створення таких складних структур, як подвійна спіраль ДНК, рідкі мембрани й глобулярні протеїни. Поки ж це завдання не вирішене, учені планують виробляти гібридні пристрої, то сполучатимуть переваги молекулярного підходу з найуспішнішими технологічними варіантами, знайденими для кремнієвих технологій. Гібридні пристрої можна зробити, наприклад, використовуючи підвищену спорідненість атомів Сульфуру в органічних молекулах до важких металів, особливо золота. Так створюються контакти між металевими електродами й молекулярними провідниками.

Думка вчених іде далі. Дотепер розглядалися приклади, коли всі функції компонентів комп’ютера забезпечуються пересуванням електронів у складних молекулярних ансамблях. Тим часом ці функції можуть взяти на себе й фотони. Уже запропоновані різні варіанти фотонних пристроїв, наприклад, молекулярний фотонний транзистор. У фотонному транзисторі фрагмент молекули, що поглинає квант світла (дипіррилбородифторид), відіграє роль стокового електрода, наступна молекула (цинковий порфірин) — провідника, а останній випромінюючий порфіриновий фрагмент молекули відповідає електроду джерела. Магнієвий порфірин працює як керуючий електрод-затвор. Якщо окислити цей затвор, то після поглинання світла перенесення енергії відбувається не на цинковий порфірин, а на невипромінюючий магнієвий. У комп’ютерах на подібних транзисторах регулювання його роботи відбуватиметься за допомогою світла.

Ось загалом те, що чекає нас у найближчому майбутньому. Учені вважають, що молекулярні комп’ютери будуть створені до 2020-2030 р. Це не означає, що існуюче покоління кремнієвих комп’ютерів повністю й відразу відійде в небуття, просто поруч із ним з’явиться могутніша генерація.









загрузка...