17. В.В. Коледов. Сплавы с памятью формы и создание самых маленьких механических наноинструментов скачать в хорошем качестве

17. В.В. Коледов. Сплавы с памятью формы и создание самых маленьких механических наноинструментов

14 марта 2023 года состоялось 17-е заседание общероссийского междисциплинарного научного семинара "Реология, вязкоупругость, ползучесть, пластичность и разрушение: эффекты, материалы, испытания, модели, анализ, технологии". Доклад "Сплавы с эффектом памяти формы и создание самых маленьких механических наноинструментов" сделали В.В. Коледов, В.Г. Шавров, С.В. фон Гратовски, П.В. Лега, Институт Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва, А.С. Шеляков, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Аннотация Свойства материалов на наномасштабе, в том числе механические свойства, значительно отличаются от таких же свойств в объемных материалах. Изучение свойств материалов, в том числе механических свойств, на наномасштабе очень важно и актуально для понимания их природы и для использования в принципиально новых, в том числе наномеханических устройствах. Прогресс в нанотехнологии требует поиска новых инструментов для изучения и работы с окружающими объектами в наномасштабе. К исследованию механических свойств на наноуровне относятся наноиндентирование, атомная силовая микроскопия и другие. Но при исследовании всех объектов в обычной повседневной жизни человек использует трехмерные механические действия, такие как захват предмета, подъем, поворот, отрезание и многие другие. Часто мы не замечаем принципиальную важность трехмерного механического действия, так способность человека к механическому действию - захвату и манипулированию макрообъектами – в нашем сознании, как бы сама собой разумеется. Для механических исследований в наномасштабе нужно что-то вроде нано-пальцев или нано-руки, то есть механические наноинструменты, соответствующие по масштабам нано-объектам в наномире. В докладе обсуждаются принципы создания на основе сплавов с термоупругим мартенситным переходом и эффектом памяти формы (ЭПФ), например, семейства Ti(NiCu), устройств и инструментов, способных двигаться и совершать механическую работу на наномасштабе, таких как нанопинцет, нанозахват, «нанопила». Обсуждаются, также, потенциальные области их применения для механического трехмерного наноманипулирования и обработки различных нанообъектов с целю создания новых наноэлектронных и нанофотонных приборов, бионаносенсоров и др. В первой части доклада обсуждаются физические процессы в сплаве при термоупругом мартенситном переходе в узком интервале температур, связанные с перестройкой симметрии кристаллической решетки из высокотемпературной кубической (аусетенитной) структуры в низкотемпературную низкосимметричную, например, орторомбическую (мартенситную) структуру, сверхупругость сверхпластичность. Понижение симметрии решетки приводит к формированию структуры двойников мартенситной фазы кристаллического сплава. В условиях внешних воздействий, формирование двойниковых структур приводит к резкому изменению макроскопических размеров (до 10 %) и формы образцов сплавов. Обратимость и управляемость процессов деформации может быть достигнута за счет композитной структуры наноинструмента. Композит с ЭПФ, это - биметаллическая пластина, в которой один из слоев – предварительно напряженный слой с ЭПФ, а другой слой выполнен из прочного упругого металла. Управляемость наноинструмента с ЭПФ достигается за счет применения локальных источников нагрева: сфокусированных лазерных пучков, микрорезистивных нагревателей и др. Способность к ЭПФ сохраняется вплоть до наномасштаба. Однако при уменьшении образцов сплавов с ЭПФ с размерами 1 мкм и менее наблюдаются принципиальные отличия протекания мартенситного перехода, и в частности зависимость температуры перехода от толщины и его полная блокировка на масштабах порядка десятков нанометров. Очень серьезной проблемой при разработке наноинструментов с ЭПФ является понимание фундаментальных ограничений, в том числе минимального размера наномеханических инструментов с ЭПФ. Современные нанотехнологии позволяют создавать механические микро- и нано-инструменты с активными структурами порядка нескольких десятков нанометров и размером менее 1 мкм. Интересным является вопрос о динамике термоупруого механического изменения формы наноинструментов, так как от нее зависит максимальное быстродействие наноинструментов. В настоящее время достигнута непрерывная работа наноактюкторов с ЭПФ с частотой до 104 Гц. Вторая часть доклада посвящена применению наноинструментов с ЭПФ в новой технологии механической нано-сборки «снизу вверх» для создания индивидуальных нано-устройств из разнообразных нанообъеков. Эта технология рассматривается как альтернатива традиционной технологии наносборки «сверху-вниз» для производства нано-микро-устройств. В докладе обсуждаются новые альтернативные технологии, а именно - механическая восходящая 3D-наносборка и наноманипулирование с использованием наноинструментов из сплавов с ЭПФ. Приводятся примеры механического 3D-наноассамблирования «снизу вверх» с помощью нанопинцетов с ЭПФ.