NANOTEHNOLOGIE

Dicionarul Webster definete cuvntul nanotehnologie ca fiind arta manipulrii unor dispozitive minuscule, de dimensiuni moleculare. Guvernul american ns a investit n ultimii ani miliarde de dolari n cercetarea n domeniul nanotehnologiilor, n ncercarea de a transforma-o dintr-o art ntr-o tiin. Ca urmare, activitatea de cercetare din domeniu este prodigioas. Progresele rapide, mai ales din chimie, au pus la ndemna cercettorilor n domeniu o varietate de unelte miniaturale minunate.Nanotehnologia a fost iniial introdus pentru a furniza o int concret acurateei pentru procesele de fabricaie care implic finisri de ultraprecizie, cum ar fi: tieri ultrafine, diverse tipuri de prelucrare (procesare) cu fascicule energetice, utiliznd fascicule de fotoni, electroni sau ioni, evaporarea n strat subire, corodri superficiale ultrafine, etc.De la prezentarea conceptului de nanotehnologie n anul 1974 la Tokyo, acesta a ctigat teren att n Europa ct i n S.U.A., referindu-se aici la tiina fenomenelor la scar atomic. Cercetarea tiinific este evident necesar ntruct nanotehnologia nu poate avea succes fr o nelegere tiinific de baz a fenomenelor petrecute la scar atomic.Noua tehnologie va transforma produsele de fiecare zi i modul n care sunt fabricate prin manipularea atomilor astfel nct materialele s poat fi micorate, mbuntite i uurate n acelai timp. Dei modeste, produsele actuale bazate pe nanotehnologie, precum esturi rezistente la pete i ambalaje pentru alimente proaspete, care au intrat pe pia, unii oameni de tiin estimeaz c nanotehnologia va juca un rol deosebit de important n viitor.Datorit unor mbuntiri a microscoapelor, oamenii de tiin pot acum plasa pentru prima dat atomi singulari unde doresc. Aplicaiile poteniale sunt numeroase: computere microscopice, nanoparticule pentru tratarea cancerului i motoare nepoluante. Potrivit celor mai muli oameni de tiin, viitorul nanotehnologic ar putea s ia avnt peste 10-20 de ani, deoarece trebuiesc depite principalele obstacole cum ar fi n primul rnd lipsa unei producii economice de mas.Unele dintre cele mai complicate dispozitive vor necesita o poziionare exact a miliarde de atomi. O alt provocare este crearea unei puni de legtur ntre dimensiunile nanoscopice i macroscopice. Cu alte cuvinte, dispozitivele nanoscopice sunt nefolositoare atunci cnd trebuie ataate la dispozitive mari, rmnnd deocamdat nesoluionat problema depirii neajunsurilor menionate. La acestea se adaug temerile derivate din domeniul SF, care amenin s deraieze nanotehnologia, n acelai mod n care populara anxietate provocat de super-plante i super-alimente au mpiedicat dezvoltarea biotehnologiei n agricultur.La nivel mondial, cele dou domenii care ar putea ctiga potenial de pe urma nanotehnologiei, sunt electronica i biotehnologia.Spre exemplu, n domeniul biotehnologic, oamenii de tiin promoveaz noiunea de nanoparticule din aur care ar putea fi activate prin telecomand pentru a se nclzi i a omor celulele canceroase. Lucrarea de fa i propune s realizeze o trecere n revist a unora dintre dispozitivele minuscule i modaliti de realizare cu ajutorul acestora a diferitelor produse, pind astfel ntr-o nou er a tehnicii de vrf Prezentarea conceptuluiNanotehnologia este acea ramur a tiinei care permite crearea de materiale, de dispozitive i de sisteme la scar nanometric (1-100 nm), prin manipularea materiei la aceast scar, precum i prin exploatarea noilor proprieti ce rezult la scar nanometric, avnd un puternic impact asupra numeroaselor aplicaii comerciale, militare i spaiale. n cele ce urmeaz va fi prezentat o descriere de ansamblu al conceptului de nanotehnologie, pe baza unor exemple menite s ajute la nelegerea conceptului legat de fabricarea, caracteristicile, aplicaiile i comercializarea produselor din aceasta categorie.Conceptul de nanotehnologie se caracterizeaz prin faptul c toate procesele care se studiaz i se produc, au ca unitate de referin nanometrul, ce reprezint a miliarda parte dintr-un metru (3 - 4 atomi). Pornind de la definirea acestei dimensiuni, se poate uor deduce c nanotehnologia reprezint practic un procedeu de asamblare la nivel molecular.Noua tehnologie are menirea de a transforma produsele de fiecare zi i modul n care acestea sunt fabricate prin manipularea atomilor, astfel nct materialele s poat fi micorate i mbuntite n acelai timp. Dei produsele actuale bazate pe nanotehnologie sunt modeste - precum esturi rezistente la pete i ambalaje pentru alimente proaspete - care au intrat deja pe pia, unii oameni de tiin estimeaz c nanotehnologia va juca un rol deosebit de important n viitor.Datorit unor mbuntiri a microscoapelor, oamenii de tiin pot acum plasa pentru prima dat atomi singulari acolo unde doresc. Aplicaiile poteniale sunt numeroase: computere microscopice, nanoparticule pentru tratarea cancerului, motoare nepoluante, etc. Utiliznd binecunoscutele proprieti chimice ale atomilor i moleculelor (care vizeaz modul de lipire a acestora), nanotehnologia propune construirea de dispozitive moleculare inovatoare, cu caracteristici extraordinare. Secretul const n a manipula atomii individual i de a-i plasa exact acolo unde este nevoie, astfel nct s produc structura dorit. Nanotehnologia se poate defini i ca fiind abilitatea de a transforma materia ordonnd cu precizie atom dup atom i molecul dup molecul, pentru ca n final s se produc nanostructuri din care s se poat forma nanoproduse, adic dispozitive i maini.

Direcii de utilizare a nanotehnologiei n confecionarea echipamentelor militareDomeniul cercetrii militare este unul extrem de strict, iar informaiile care ajung la public nu reprezint probabil nici 5% din realitatea analizat i procesat de oamenii de tiin. Se cunoate totui c tehnologia folosit la confecionarea materialelor folosite pentru echipamentul are la baz viitorului este n strns legtur att cu avansata nanotehnologie precum i cu materialele sintetice fortificate cu diveri polimeri.Este cunoscut faptul c aprarea american cheltuiete anual sume fabuloase pentru modernizarea forelor militare. Miliarde de dolari sunt destinate domeniilor de cercetare care au o singur preocupare: modernizarea echipamentelor militare.n pofida faptului c forele militare americane sunt i n prezent cele mai dotate i mai eficiemnte din lumea ntreag, autoritile americane sunt foarte interesate de a aduce noi i noi mbuntiri att echipamentelor ct i aparaturii i armamentului din dotare. Ultimele descoperiri n materie de echipamente vor fi implementate curnd, urmnd ca pn n anul 2025 militarul american s aib o uniform inteligent, capabil s-i adapteze instantaneu culoarea ntr-o perfect corelare cu zona geografic i fauna, dar i cu modificarea proprietilor de izolare asigurnd o temperatur optim n funcie de condiiile de mediu specifice zonelor din teatrele de operaii unde militarii i execut misiunile.Uniformele inteligente se bazeaz pe inserarea n materialele din care acestea sunt produse a unor particule inteligente, programate special pentru a se adapta situaiilor. Dincolo de faptul c aceast uniform se va comporta ca un cameleon, are i proprieti inteligente: dac se rupe, se activeaz un mecanism de regenerare, iar n cazul n care intr n contact cu substane chimice, are un sistem de autoaprare prin care se va evita deteriorarea. n plus, uniformele militare din viitor nu fie i nu fac nici un fel de zgomot pe timpul micrii.Principala caracteristic a hainelor i uniformelor inteligente fabricate din materiale mbogite cu anumii polimeri este c fac corp comun cu purttorul. Aceste haine respir. n ciuda faptului c sunt rezistente i acioneaz descurajator asupra efectelor mediului exterior, purttorului i dau senzaii dintre cele mai benefice: sunt uoare, nu se transpir n ele, asigur o lejeritate n micare. Dac la toate acestea mai adugm i faptul c aceste haine anticipeaz multe dintre posibilele efecte ale mediului nconjurtor i apr purttorul de o mulime de pericole, putem recunoate pe bun dreptate c aceasta reprezint haina ideal pentru om i nu doar pentru militarii viitorului.Cercetrile efectuate au luat i iau n considerare mbuntirea inutei militare n ansamblul ei, deci nu numai a uniformelor propriuzise dar i a ctilor din dotare, accesoriu care a fost ntotdeauna cea mai blamat component a inutei militare. Fiind de obicei dintr-un material dur de cele mai multe ori din fier i de civa ani din kevlar cascheta este un obiect vestimentar dificil de purtat chiar de cei mai clii i antrenai militari din lume. Pentru a contribui pe deplin la mmrirea gradului de mobilitate al militarului pe timpul misiunilor, n laboratoarele americane s-au mpins cercetrile astfel nct se afl n stadiu de proiect o caschet ce va fi confecionat dintr-un material de 70 de ori mai uor dect actuala pies a garderobei militare.

Componente nanotehnologice n electronicPrimul ingredient necesar pentru a construi circuite la scar molecular este srma. Astfel de srme trebuie s fie foarte subiri, lungi, rezistente mecanic i s aib o conductan electric bun. Din fericire chimitii au descoperit o serie de molecule care au exact proprietile necesare. Fig.1.2 prezint un fragment din cea mai celebr dintre moleculele descoperite, i anume nanotubul de carbon. Nanotubul de carbon este caracterizat prin faptul c fiecare atom de carbon este legat covalent cu vecinii si. Pentru descoperirea acestor molecule, Richard Smalez de la Universitatea Rice din S.U.A. a primit premiul Nobel pentru chimie n anul 1996. Astfel de molecule au un diametru de 5nm i pot avea lungimi de ordinul milimetrilor. Se caracterizeaz prin excelente proprieti electrice i mecanice, n pofida dimensiunilor minuscule.

. Nanotubul de carbon. Partea din stnga a unei singure molecule Al doilea ingredient de care avem nevoie este un comutator, care poate nchide i deschide circuite. Din fericire i pentru acest dispozitiv exist o pletor de alternative. n fig. 1.3. este prezentat un astfel de comutator molecular.Molecula polarizat prezentat n fig. 1.3.(a) este caracterizat printr-un nor de sarcin electric asimetric. n poziia din stnga norul blocheaz trecerea curentului electric. Aplicnd un potenial ridicat cauzm rotirea moleculei i reorientarea norului electronic; molecula din poziia din dreapta a figurii menionate conduce curent electric ntr-o singur direcie, comportndu-se ca o diod.Molecula are memorie, deoarece rmne mult vreme n poziia n care a fost pus. Un potenial mare negativ poate muta molecula napoi la starea neconductoare.

a) Comutatorul molecular cruia i s-a aplicat un potenial ridicat;b) Comutatorul molecular plasat ntre dou nanosrme.n fig. 1.3.(b) este prezentat micrografia unui comutator molecular cuplat cu dou nano srme. Acest comutator poate fi poziionat cu precizie ridicat prin urmtoarele procedee chimice simple, astfel:1. Cele dou srme se fabric separat;2. Se nmoaie una dintre srme ntr-o soluie care conine molecule-comutator;3. Cele dou srme se suprapun n unghi drept.Respectnd cele menionate mai sus, comutatorul de la intersecia celor dou srme se va cupla de ambele, devenind astfel operaional.Faptul c putem construi srme izolate i legate prin comutatoare nu este suficient pentru a construi circuite complexe. Trebuie s fim capabili s construim n mod eficient (n paralel) multe astfel de srme cuplate cu comutatoare. Din fericire, chimitii au descoperit un fenomen care ne ofer soluia ntr-un mod aproape miraculos. Acest fenomen se numete auto-asamblare (self-assembly). Una din formele sale se manifest astfel: se realizeaz o soluie cu un anumit tip de molecule. n soluie se nmoaie un suport dup care soluia se nclzete, se extrage suportul i n mod spontan, fr a avea vreun control dinafar, moleculele din soluie se aeaz ntr-o structur aproape regulat. n acest mod se pot construi simultan zeci sau sute de srme paralele, aflate la distane foarte mici una de alta.

Nanocalculatoarelen aceast seciune ne-am propus s schim modalitatea de mbinare a nanotehnologiei i a hardware-ului reconfigurabil n scopul construirii mainilor de calcul. Avnd n vedere cercetrile n domeniu, n fig.1.6 este prezentat arhitectura unui sistem de calcul bazat pe nanotehnologii ce const dintr-un nanocircuit ce are la baz o gril bidimensional de grupuri (clusters), legate prin srme configurabile de lungimi diferite, fiecare grup constnd dintr-o gril de nanoblocuri.Structura aceasta este foarte asemntoare cu cea a circuitelor reconfigurabile disponibile comercial numite FPGA (Field Programmable Gate Array), pentru care exist deja mult experien n proiectarea sculelor i tehnologiilor de compilare, plasare i rutare.

Reprezentarea structurii unui nanocircuit i a unui nanoblocAstfel de circuite pot fi fabricate printr-o mixtur de tehnologii: fiecare nanobloc este fabricat folosind nanotehnologii. Lcaurile pentru grupuri i srmele lungi sunt fabricate prin tehnologia CMOS, fiecare nanobloc este apoi inserat ntr-un astfel de loca. Au fost puse la punct metode prin care se pot configura nanoblocurile.Dup fabricaie, circuitele vor fi cuplate ntr-un calculator care va testa grupurile, pentru a gsi unul perfect funcional. Urmeaz apoi configurarea acestui grup de ctre calculator cu ajutorul unui program de autotestare, prin care restul circuitului este testat pentru a gsi alte defecte. Nanoblocurile defecte vor fi nregistrate ntr-o list de defecte ataat circuitului. Atunci cnd circuitul este utilizat, compilatorul care genereaz configuraia va folosi aceast list de defecte pentru a genera un circuit care folosete numai prile funcionale.

PropriEtile nanomaterialelorGeneraliti privind propritile nanomaterialelorMediu condensat este starea lichid i cristalin a substantei. Sistemele moleculare complicate pot fi transformate n stare condensat ca o trecere din starea gazoasa n stare condensat. n stare cristalin se ntilnesc toate corpurile solide. Cu studierea diferitor structuri cristaline se ocup cristalografia. Fr ideile de baz formate n cristalografie, nu se poate ntelege ce reprezinta un corp solid. Meritele cristalografiei au fost att de convingatoare, c n mare msur au influenat dezvoltarea de mai departe a ideilor noastre despre fizica corpului solid. Aa c simetria translativ a cristalelor a determinat celul elementar a cristalului. Fiecarui tip de cristal i corespunde o singura celul elementar. Unirea celulelor elementare formeaz structura cristalin. Fiecare structur cristalin are proprietile sale geometrice. Pentru descrierea diferitelor direcii n cristal se introduc indici de direcie. Toate acestea mpreun permit s descriem corect structura cristalin. Simetria cristalelor Corpurile cristaline au proprieti de simetrie. Se numesc simetrice acele corpuri, care snt formate din pari identice. Elementele simetriei sunt suprafaa de simetrie i axa de simetrie. La axele de simetrie se adaug irul simetrei. Toate cristalele sunt simetrice, i aceasta nseamn, c n fiecare cristal se pot defini suprafaa de simetrie i axa de simetrie de diferite ordine.Dupa simetria formei exterioare cristalele se mpart n 32 de clase, unite n apte sisteme: cubic, hexagonal, tetragonal, trigonal, rombic. Fiecare sistem se caracterizeaza printr-un ansamblu determinat de elemente ale simetriei. n cristalele sistemului cubic sunt prezente trei axe de ordinul patru; n sistemul hexagonal axe de ordinul ase; n cel trigonal axe de ordinul trei; n sistemul rombic sunt prezente trei axe perpendiculare una pe alta de ordinul doi; n cristalele sistem monopana se conine numai o singur axa de ordinul doi i n sfrit n sistemul tripan lipsesc total suprafeele de simetrie i axele de simetrie. Structurile cristaline tipiceMulte material constructive, ca metalele, au structuri cristaline simple. Dintre cele mai rspndite este structura hexagonal compact (SHC.) i structura cubic cu fee centrate (SCFC). Numrul de atomi n celula elementar a SHC este 5, iar n SCFC este 4. Structura cubic centrat intern (SCCI) se ntlnete mai rar, iar structura cubic simpl (SCS) are un singur element. Numrul de atomi n celula elementar a acestor structuri este doi sau unu. n structura cubic simpl atomii sunt distribuii numai n colurile cubului, i se ating reciproc de-a lungul laturilor cubului.Structura centrat intern se ntlnete la toate metalele alcaline i alte metale, iar unele au o structura centrat intern numai ntr-o gam de temperaturi. celula elementar n SCCI reprezint un cub cu atomii n fiecare col i n centru. Aa cum numrul de atomi n SCI este de numai doi i aceasta structura nu are ambalare compact. Totalitatea atomilor n SCI sunt aranjai n lungul diagonalei cubului. Fiecare atom n aceast structur este nconjurat de 8 atomi.Structura cubic cu fee centrate este destul de densa. Celula elementar conine patru atomi, care ocup toate colurile cubului i centru fiecrei fee. Aceast structur are simetrie, care permite rotirea la 900 a fiecrei laturi a cubului. Fiecare atom din acesta structura este nconjurat de 12 vecini. Atomii se ating unul cu altul n lungul feei pe diagonala.Structura hexagonal compact n cristale se ntlneste destul de des. Aceasta structura se formeaza prin asezarea suprafetelor compacte n consecutivitate (ir) simpl: doua suprafee compacte se ating uor una cu alta, aa ca, fiecare atom a unei suprafee cade ntre trei atomi a suprafeei vecine. Fiecare atom in asa structura este inconjurat de 12 vecini apropiati.Piramida tetragonal. Aceast structur are 6 atomi, iar n stratul doi de coordonare se afl 8 atomi, care sunt ecranai de 6 vecini apropiai. n natur se gsesc structuri i mai compacte, ca de exemplu diamantul.Structura diamantului. Reeaua diamantului are structura cubic.

n colurile cubului de baz, avnd structura cu fee centrate, sunt adaugai atomi, care mpart cubul de baz n 8 pri egale. De aceea o parte din atomi se aseaza n vrfuri i centrele feelor unui cub, iar alta n vrfuri i centrele feei altui cub. Prima sfera de coordonate a reelei diamantului conine 4 atomi, distana dintre ei este de . A doua sfera de coordonate se afl la distana i conine 4 atomi. A treia sfera de coordonate conine de asemenea 4 atomi, care sunt asezai la distana , i n sfrit sfera patru de coordonate se afl la distana de i are 4 atomi. n calculele energetice ale straturilor cristaline esta necesar s se analizeze cristalul din diferite directii n spatiu. n legatur cu aceasta n cristalografie se studiaza cteva metode descriere a propritilor substanei.

Nanotehnologia de obinere a metaloceramicii

Materialele metaloceramice se folosesc n diferite domenii: construcii de aeronave, motoare, n medicin i alte domenii. O mare importan are ceramica pe baza de Ti. Tipic reprezentativ pentru ceramic, reprezint topirea pe baz de ( Ti -2%), aluminiu titan (Ti - % Al) i deasemenea topirea tripl de forma (Ti- % C i % Al).Tehnologia de obinere a astfel de substane metaloceramice la nanonivele este grea i complicat. Este condiionat de faptul c tehnologia de obinere nu are n baza sa un model fizico-chimic de formare a materialelor metaloceramice la nanonivele. La fabricarea acestor materiale nu se obin rezultate bine determinate. Aceast tehnologie este extrem de costisitoare i ca atare limitez utilizarea acestor materiale pe o scar mai larg.Pentru obtinerea aliajelor triple de titan e necesar de a aplica metalurgia granular. Proporia optim a greutii compoziiei este Ti-0,35%, C-6,44% i Al. Temperatura nclzirii compoziiei amestecului trebuie s fie mai mare dect temperatura de topire a aluminiului, dar s nu ntreac temperatura de topire a Ti, adica trebuie sa fie o medie ntre aceste dou temperaturi i anume 1300-1400 K. La presiunea 200 MP are loc un oc triplu de temperatur, cu ncalzire la 1100 K. S-a dovedit experimental c scderea temperaturii trebuie s dureze pna la 1 or n aer atmosferic. Cu acest procedeu de nclzire i rcire straturile superioare vor fi saturate cu atomi de oxigen i azot, i care trebuie s umple golurile intercluster de domensiuni mici din titan, odat cu formarea catalitic a moleculelor TiO i TiN. Aceasta va duce la o evident mbuntire a proprietilor mecanice ale acestui material metaloceramic. Astfel c straturile superioare vor umple toate golurile fisurale i sferice de mici dimensiuni. Proprietile mecanice ale nanomaterialelorMecanica solidului rigid deformabil, se studiaz n momentul actual la nivel micro, mezo i macro. Mult timp, deformarea solidului rigid se studia prin metoda determinarii cantitative a proprietilor de deformare la nivel micro, cu trecerea la nivel macro, prin introducerea caracteristicilor integrale ale comportrii solidului rigid n condiiile diferitor influene mecanice, trecnd pragul interfazal spre formarea nanoparticulelor sub forma de clustere cu compozitia lor interioar i influena intercluster. Acest gol l-a umplut mezomecanica.Rezultatele obinute la acest nivel de studiere a proprietilor solidelor rigide, a permis cunoaterea dinamicii solidului rigid deformabil i n special a proprietilor plastice ale diferitelor materiale compozite.ns n mezomecanica nu studiaz mecanica formrii particulelor relativ mari la nivel micro i interaciunea lor la nivel mezo.n continuare se studiaz aceast problem din perspectiva modelului parial cuantomecanic al deformrii solidului rigid, aplicabil la proprietile mecanice ale materialelor.Solicitrile mecanice asupra solidului rigid sunt: compresiunea, rsucirea, ncovoierea. Proprietile electrice, magnetice i altele vor fi studiate aparte.Construcia de maini din secolul XXI pune mari probleme i noi cerine n faa diferitelor materialelor. Materialele trebuie s lucreze n condiii deosebite: s reziste la temperaturi joase i nalte, stri de tensiune prelungite, s aib rigiditate nalt i oboseal joas. Cu toate acestea, caracteristicile masice trebuie s fie minime. Pentru a asigura astfel de proprieti, este necesar s se formuleze clar modelul fizic a reacionii solidului rigid la diferite solicitri mecanice avnd n vedere ultimele descoperiri n acest domeniu.n momentul actual s-au propus urmtoarele modele de teorii asupra solidului rigid: 1. Teoria inelar a lui Frenkel; 2. Modelul volumului liber; 3. Teoria sibotaxis; 4. Modelul cvasichimic; 5. Modelul clusterial.n toate aceste modele, s-a revzut interaciunea binar cu aplicarea potenialului Lenard-Jones i modelului cuantomecanic monoparticular. La prima vedere se prea c folosirea pseudopotentialului evident n modelul monoparticular n locul potenialului Lenard-Jones este de perspectiv. ns, toate modelele studiate sunt semiempirice. Fiecare model explic mulumitor doar unele proprieti ale solidului rigid, iar calculele teoretice pentru un model sau altul au condus la diferene fa datele experimentale cu cel puin un ordin de mrime. Materialul experimental foarte bogat obinut n domeniul mecanicii corpului rigid, a permis aprofundarea mecanicii diferitelor materiale constructiv pentru diferite solicitri mecanice.De exemplu: obinerea diagramei tensiune-deformaie (-) la ntindere a permis determinarea precis n domeniul deformaiilor rigide i plastice, de a determina pentru tip de materiale limita rigiditii i limita de curgere.Limitele deformaiilor elastice depind de temperatur. Cu creterea temperaturii deformaiei elastice scade spre zero.n conditii dinamice ale ncrcrii apare deformarea neuniform. Deformarea intirzie, adic creterea deformaiei ncepe nu imediat ci peste un timp oarecare dupa nceputul ncrcrii.Pentru un rind de materiale compozite, astfel de aliaj este Cu- 12%Al-4,5%Mn si nichelat de Ti, are loc efectul retinerii formei. Astfel de materiale la comprimare-intindere n conditii izotermice de ncrcare au proprietatea de histerezis.Deformarea plastic a corpului solid policristalin este nsoit de o reformare structural cnd se petrece transformarea din policristalin n monocristalin. Aceast proprietate a corpului solid a fost observat n etapa de nceput a folosirii razelor Roentgen pentru analiza corpului solid.n articolul su Panin V.E evideniaz foarte clar mezomecanica, ca baz pentru studierea proprietilor mecanice ale corpului solid. Prima curb "ncrcare-deformare" poate fi definit prin trei etape ale curbei deformrii i anume:I. cmpul liniar, descris de legea lui Hook;II. dependena neliniara reversibila, care de asemenea poate fi descris de Legea lui Hook, nsa folosind modelul lui Young;III. cmpul de trecere de la dependenta reversibila la ireversibila.Primele dou nivele ale dezvoltrii deformrii pot fi nelese destul de convingtor. Al treilea nivel este determinat ca un mezonivel. La mezonivelul-1 se formeaz structuri disipative n structura iniial a modelului i la mezonivelul 2 apar distribuiri stochastatice mezopolos i are loc fragmentarea modelului. Trebuie s presupunem ca mezonivelul-1 incepe s se formeze pe o poriune nelinear reversibil dependenei tensiune-deformare, i mezonivelul 2 n zona de curgere a modelului. La macronivel apare formarea "gtului" modelului cu pierderea global a rezistenei lui ca un ntreg. Toate acestea apar ca macrolinii localizate. La dilatarea modelului apare formarea "gtului" exact la mijloc. Caracterul reaciunii se transmite cu o anumit vitez prin corpul solid de la fiecare zon a solicitrii modelului i aceste reaciuni se ntlnesc cu exactitate la mijlocul modelului, se amplific unul pe altul i ca rezultat n aceste locuri apare o distrugere puternic.Ce genuri de interaciuni determin viteza distribuirii reactiunii n corpul solid poate fi nteles doar la micronivele. Toate materialele constructive conin un numr mare de defecte de diferite proveniene i diferite mrimi. Distributia acestor defecte pe volumul corpului este ceva aleator. Aleatoare pot fi i aciunile exterioare. Acest fapt a condus la descrierea problemei distrugerii folosind metoda statistic. Datele experimentale la diferite ncercri de modele din acelai material confirm natura statistica a distrugerii.Scurta analiza efectuat a proprietilor mecanice iniiale ale corpurilor solide ne permit s punem problema foarte precis: trebuie s obinem explicarea fizico-matematic a tuturor proprietilor la micronivel. O astfel de explicare este necesar pentru modelarea la calculator a proprietilor fizico-mecanice prin metoda analizei rezultate la micro-, mezo- si macronivele. Modelul monomolecular cuantomecanic nu a permis efectuarea acestei analize pe deplin. De aceea astfel de probleme se pot rezolva la un nivel nou prin aplicarea modelului bimolecular cuantomecanic.

SISTEME DE PROCESARE LA NIVEL NANOMETRIC Unitate de procesare, tensiuni de rupere i densitate de energie de procesaren ultima vreme a devenit tot mai necesar fabricarea de produse inteligente precise cu o acuratee extrem de nalt i realizare fin de ordinul nanometrilor. n mod clar, pentru a produce astfel de produse de nalt precizie trebuie utilizate sisteme de prelucrare/procesare n domeniul subnanometric sau de tip atom cu atom. Unitatea de prelucrare/procesare corespunde dimensiunii unei poriuni din cip n procesele de mascare, unui pas din procesele de deformare i unui cluster molecular n procesele de consolidare. Tensiunea de rupere n domeniul reelei atomice

Atunci cnd sunt utilizate uniti de prelucrare de dimensiuni atomice, apare o problem serioas: rezistena al forfecare sau tensiunea de rupere (N mm-2) sau energia specific la forfecare (J cm-3) devine extrem de mare.Un exemplu de dependen a tensiunii de forfecare de grosimea probei pentru oel carbon este prezentat n figura 6.1.

Relaia dintre grosimea probei i rezistena la forfecare pentru oel-carbon SAE 1112Curba arat c, cu ct grosimea probei devine mai mic, rezistena la forfecare la frontul de atac al sculei de achiere sau al granulei abrazive devine extrem de mare, apropiindu-se de tensiunea de forfecare teoretic th din materialele fr defecte sau de tria legturii din oel-carbon:th=G/2=1,3104 Nmm-2(3.1)unde G = 8,2 104 N mm-2 este modulul de rigiditate al oel-carbonului.Motivul pentru care rezistena la forfecare devine aa de mare la frontul de achiere pentru nivelul atomic, este acela c exist numai defecte punctuale care pot iniia ruperea structurii la nivelul legturilor atomice. Totui, dup cum se prezint schematic n figura 6.2, n metalele ductile, ruperea prin alunecare pentru uniti de prelucrare/procesare ntre 0,1 i 10 m provine din dislocaiile relativ uor de deplasat din granula cristalin metalic, n care intervalul mediu de reapariie a unei dislocaii mobile este de circa 1 m, iar n granula cristalin a unei ceramici fragile, ruperea apare datorit microfisurilor care sunt, de asemenea, distribuite pe un interval mediu de circa 1 m.

Distribuia defectelor n materiale: rupere datorat dislocaiilor mobile n materialele ductile, respectiv microfisurilor n materialele fragilePentru uniti de procesare mai mari de 10 m, ruperea metalelor ductile datorat deplasrii prin forfecare ncepe ntr-un punct slab la limita de granul sau ntr-o cavitate, iar n ceramicile fragile ruperea apare n principal din fisurile din jurul interfeelor granulare. Din acest motiv, prelucrarea cu maini-unelte obinuite ce utilizeaz muchii ascuite sau abrazivi fixai pe sculele de lefuire (rectificare) nu poate produce achii de dimensiuni atomice, ntruct muchiile de tiere se uzeaz rapid datorit naltei rezistene la forfecare. ns, sculele i abrazivii pe baz de diamant pot fi utilizate pentru achiere i rectificare fin datorit rezistenei lor mari la uzur. Mai mult, lepuirea i lustruirea, care folosesc abrazivi liberi, pot fi utilizate pentru procesarea atom cu atom a materialelor. PRELUCRARE NANOTEHNOLOGIC GeneralitiNanoprelucrarea este realizat prin nanoachiere, nanolefuire i honuire, nanolepuire i lustruire, etc. Unitatea de procesare n aceste metode este de civa zeci de nanometri, astfel c o comportare la indentare i zgriere n domeniul clusterilor atomici const, n principal, n alunecare prin forfecare datorit ruperii elastice, care are la baz defectele punctuale din domeniul fr dislocaii i fr microfisuri.Nanoachierea este principala metod de prelucrare bazat pe forfecare utiliznd cuite diamantate cu un singur vrf pentru materialele moi i ductile, n timp ce nanolefuirea i honuirea sunt utilizate la prelucrarea ductil fr fisurare a materialelor dure i fragile, prin folosirea discurilor i granulelor de diamant. Nanolepuirea i lustruirea sunt utilizate pentru prelucrarea materialelor dure i fragile cu pulberi abrazive.Nanoachierea implic o mrime de prelucrare de civa zeci de nanometri, dar tensiunea de tiere care acioneaz la extremitatea sculei este foarte mare, comparabil cu forele de legtur atomice. Drept rezultat, singurele scule disponibile se limiteaz la diamant, iar prelucrarea este limitat la materialele moi i ductile. Nanoachierea produce o suprafa foarte fin de tip oglind, iar stratul degenerat rezultat este extrem de subire. De curnd, s-au ncercat simulri computerizate ale achierii la scar atomic. Nanolefuirea i honuirea creeaz o alunecare prin forfecare cu o adncitur de tiere de civa zeci de nanometri i sunt cele mai des folosite la obinerea suprafeelor lipsite de fisuri pe materiale dure i fragile, cum ar fi sticla i ceramicile. Nu este nevoie de spus c tensiunea de lucru care acioneaz la muchia tietoare a abrazivilor este extrem de ridicat. n consecin, pot fi utilizai numai abrazivi de diamant cu granule foarte fine prelucrare cu abrazivi staionari n domeniul de procesare la nivel de clusteri atomici. Spre deosebire de prelucrarea cu abrazivi staonari, lepuirea fin i lustruirea tip oglind n domeniul clusterilor de atomi fac apel la abrazivi regenerabili (mobili) foarte fini, dar mecanismele celor dou metode sunt destul de diferite, dup cum se indic n figura 4.1. Lustruirea tip oglind se realizeaz prin polizare cu abrazivi fini teii, dar rezisteni termic, cum ar fi: Fe2 O3, Cr2O3, CeO2 sau MgO. n aceast metod, abrazivii nglobai n suprafaa plcii de lustruire au o deplasare n raport de suprafaa piesei de prelucrat, netezind suprafaa acesteia, prin forfecarea general, de defectele punctuale. Lepuirea fin, pe de alt parte, utilizeaz plci semidure pentru a realiza ndeprtarea materialului cu alungiri fine i dure, dei mai de grab fragile cu muchii ascuite, cum ar fi diamantul, BN-cubic, SiC, SiO2 sau B4C.

Lepuirea fin i lustruirea tip oglind pentru materialele dure i fragile cum ar fi sticla, ceramicile, aliajele superdure etc: (a) lustruirea tip oglind a sticlei (abrazivi: SnO2 Fe2O3, MgO, Ce2O3, rezisteni termic); (b) lepuirea fin a sticlei (abrazivi:diamant, SiC, B4C, c-BN) dur i ascuit; (c) fisurarea la ntindere pentru achierea fragil; (d) alunecarea prin forfecare pentru achierea ductil; (e) prelucrarea fin ultrasonic; (f) sablare normal.Fisurarea datorit ruperilor foarte fine de la suprafa este iniial de defectele punctuale la extremitatea cavitilor n form de pan imprimat de muchiile ascuite ale abrazivilor duri care se rostogolesc ntre placa de leptuire i suprafaa piesei de prelucrat, dup cum se prezint n figurile 4.1 (b), (c) i (d).

Tensiunea de rupere la extremitatea ascuit a amprentei este mrit de efectul de pan i de factorul de concentrare a tensiunii pentru a depai limita de rupere elastic la ntindere . Cnd limita de rupere elastic la ntindere este mai mic de dou ori dect limita de rupere elastic de forfecare , materialul este considerat fragil. Cu alte cuvinte, avem n materiale de sablare cu abrazivi duri foarte fini i reprezint n principiu acelai tip de proces ca lepuirea avansat, dup cum se prezint n figura 4.1 (e) i (f). Procesarea subgranul Procesarea subgranul a metalelor ductileRuperea prin forfecare sau deformarea plastic a metalelor ductile pornete de la dislocaiile n domeniul 1-10 m, ceea ce corespunde unei dimensiuni subgranulare. a) Dislocaiile i vectorul BurgersMaterialele ductile, cum ar fi metalele Al i Fe, sunt alctuite din granule monocristaline cu dimensiuni de la civa micrometri la civa zeci de micrometri. n granulele cristaline, ntotdeauna exist defecte liniare, cum ar fi dislocaiile marginale i elicoidale. Astfel de dislocaii n monocristale reprezint o dezordonare a aranjamentului atomic, aa cum se poate observa din figurile 4.2 i 4.3.

Fig. 4.2 Defectele liniare (dislocaii)Fig. 4.3 Dislocaii elicoidale (W. T Read Jr. 1953, Dislocations in Crystals, Me Graw Hill, New York ) : (a) alunecare ce produce o dislocaie elicodial ntr-o reea cubic simpl. Dislocaia se afl pe direcia AD paralel cu direcia de alunecare. Alunecarea a aprut n zona ABCD; (b) aranjamentul atomic n jurul dislocaiei elicoidale. Planul figurii este paralel cu linia de alunecare. ABCD reprezint aria alunecat, iar AD este dislocaia elicodial. Cercurile goale reprezint atomii din planul aflat exact deasupra planului de alunecare, iar cercurile pline sunt atomii din planul aflat exact sub planul de alunecare.

O dislocaie marginal este un defect liniar orientat al reelei atomice, marcat cu semnul n seciunea transversal n timp ce o dislocaie elicoidal este un defect spiral orientat al reelei cristaline dup cum arat semnul care indic direcia spiralei. Vectorul Burgers, care definete dezordinea indic direcia i mrimea dislocaiei. Direcia vectorului Burgers pentru dislocaiile marginale este normal pe linia de dislocaie, n timp ce pentru dislocaiile elicodale este paralel cu linia de dislocaie. Densitatea dislocaiilor poate fi definit de lungimea liniilor de dislocaie din unitatea de volum (cm-3), prin numrul de seciuni ale liniilor de dislocaii pe unitatea de suprafa (cm-2), sau prin intervalul mediu dintre liniile de dislocaii secionate (cm). Intervalul dintre dislocaiile marginale este de ~ 1 cm ntr-un monocristal de siliciu (cristal fr defecte). b) Fora Peierls-Nabarro sau tensiunea Peirls pentru alunecarea tangenial bazat pe defectele de dislocaie n metalele ductile

Cnd se aplic o sarcin unei piese de lucru ce cauzeaz o alunecare tangenial, atomii reelei din jurul liniei de dislocaie se deplaseaz de-a lungul vectorului Burgers. Cu alte cuvinte, linia de dislocaie determin atomii s se deplaseze cu o unitate de distan reticular din reeaua atomic. Tensiunea de forfecare necesar pentru a deplasa o dislocaie printr-o reea cristalin ntr-o anumit direcie este dat de tensiunea Peierls c (Nm-2), care se bazeaz pe o lege for atomic-distan de tip sinusoidal:

(4.1)unde :G - modulul de elasticitate de forfecare (Nm-2);

- coeficientul lui Poisson;b - mrimea vectorului Burgers corespunztor distanei atomilor dintr-o direcie de alunecare particular (m);

- limea regiunii de dislocaie efectiv (m).

Pentru reeaua cubic central intern a metalelor ductile (figura 7.4) pentru un plan de alunecare, iar pentru ceramicile fragile , astfel c este destul de mic din cauza creterii tip treapt a potenialului de legtur atomic lng nodurile reelei. Este uor de intuit c exist un cmp potenial nalt n jurul liniilor de dislocaie datorit dezordinii reelei fcnd astfel uoar apariia alunecrii prin forfecare.

n fier (metal ductil), de exemplu, cu =0,28 i ,

MPa(4.2)pentru G=80 GPa.

Valoarea calculat este apropiat de valoarea real a rezistenei la forfecare, care este considerabil mai scazut (cu un factor de 1/500 la 1/300) dect rezistena teoretic c=G/2.

Fig. 4.4 Potenialul de legtur atomic U0, vectorul Burgers b i limea regiunii de dislocaie efectiv n materiale fragile i ductile.Figura 4.5 arat un model de propagare a liniei de dislocaie datorit unei surse Frank-Read. n acest model, tensiunea de ncrcare extern produce deformarea dislocaiei care se propag. c) Tensiunea Peierls n materiale fragile

Chiar dac numrul de dislocaii este extrem de mic n domeniul subgranul al materialelor fragile, microfisurile sunt distribuite dens. Mai mult, tensiunea Peierls c datorat dislocaiilor este destul de mare pentru c n ecuaia lui Peierls, G este extrem de mare cnd /b este foarte mic (comparativ cu materialele ductile). De exemplu, c pentru diamant este > 10 GPa (G=900 GPa), iar c pentru cristalul de siliciu este 5-6 GPa (G=125 GPa). De aceea, ruperea fragil datorit microfisurilor este posibil s apar la tensiuni sczute n ceramici, dup cum s-a menionat anterior.

Fig 4.5 Modul de propagare a dislocaiei datorit sursei Frank-ReadMotivul pentru care materiale ca diamantul i siliciul au tensiuni Peierls extrem de mari este acela c: structura lor atomic const din puternice legturi covalente; structura lor de tip diamant cu reele cubice centrateintern i cu fee centrate conin plane greu glisante n cristal.Din acest motiv este foarte dificil de a depi bariera abrupt de potenial de legtur atomic i de a deplasa un atom ctre urmtoarea poziie din reea.n materiale ceramice, cum ar fi Si O2, se gsesc structuri de tip diamant similare, constnd din diferii atomi cu puternice fore de legtur. Astfel, tensiunile Peierls ale Al2O3 sau ale ceramicilor similare sunt 4-6 GPa.La temperaturi ridicate, alunecarea tangenial a atomilor n materialele ceramice apare mai rapid dect la temperatura camerei, deoarece atomii posed o nalt energie de vibraie termic care corespunde unei creteri a energiei poteniale libere. n acest fel devine mai uoar depirea barierei de potenial a legturilor atomice. n diamant, de exemplu, alunecarea de forfecare apare la o tensiune de 50 MPa la 1800C. n cristalul de Si aceasta se ntmpl la 600C, iar n cristalul de Ge la 800C. Acest efect al temperaturii apare n lustruirea la nivel atomic i clusterii atomici ai diamantului cnd piesa de diamant deseori se nclzete pn la rou.