Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
33,8
рейтинг
26 марта 2013 в 11:53

Взгляд изнутри: мир вокруг нас – 2


Неожиданно в закромах Родины обнаружилась хорошая подборка ещё неопубликованного на Хабре материала. К сожалению, всё в один пост не уместилось – надо же рамки приличия соблюдать?! Поэтому предлагаю вниманию уважаемых Хабра-пользователей заключительную пару статей из цикла «Взгляд изнутри».



В прошлой статье, посвящённой миру, окружающему нас, был приведён – может быть, не совсем удачный – пример фотографий бумаги, а точнее салфетки. Основная проблема оказалась в зарядке образца и, следовательно, низком качестве фотографий, поэтому спешу исправить свою оплошность.

Бумага


Напыление 5-10 нм слоя хрома – ниже, в бонус-части статьи, будет продемонстрировано, как делается напыление и травление с помощью плазмы – позволило существенно увеличить качество получаемых фотографий. Мне кажется, ни у кого нет сомнений, что бумагу производят из древесины, но вот вопрос лишь в том, можно ли понять a posteriori, что она изготовляется из органики. Оказывается – да, никаких проблем:


Структуры характерные для древесины: ячеистая структура и дыхательные поры

Теперь попробуем повторить некоторый аналог нобелевского эксперимента – потрём обычным карандашом о поверхность:


Возможно, именно такие звезды впервые увидели Новосёлов и Гейм, прежде чем оторвать монослой графена с поверхности карандаша при помощи скотча

Действительно, размер частичек графита не больше микрона (~1/100 толщины человеческого волоса), а если на них взглянуть в просвечивающий микроскоп, то наверняка можно увидеть слоистую структуру.

Что же далее?! Хм, пожалуй останемся в углеродной тематике…

Углепластик


NB: По просьбе atd меняем «пре-прег» на более корректное «углепластик».

Что такое углепластик?! Хороший вопрос…

Если далеко не вдаваться в детали, то представьте себе, что обычную ткань можно сжечь, но без воздуха. Удалить все летучие вещества из ткани, не подвергая её окислению. Обычно такая процедура выполняется при высоких температурах под 1000, а иногда и больше, градусов Цельсия, в инертной атмосфере или в вакууме. В результате остаётся ткань из так называемого углеродного волокна. Отдельные кусочки ткани можно склеить между собой, получив углепластик или одну из его разновидностей – карбон.


Параллельные и перпендикулярные слои ткани с соответствующим направлением волокон


Для полноты картины – одно единственное волокно, застрявшее перпендикулярно.

Спектр применения такого материала огромен – от болидов F1, до самолётов последнего поколения.


Спорт-кары из карбона (вплоть до впускного коллектора) – реальность. 83 Женевский автосалон.

Как-то раз мой знакомый Сергей Лурье ломал на людях доску с покрытием из углепластика – не вышло. Доска оказалась прочней (да, в показанном видео был небольшой трюк – доска работала на максимальную жёсткость).

Внутри волокно аморфно, то есть не имеет никакой кристаллической структуры, но оно настолько прочное, что может выдержать огромную нагрузку. Кстати, заметьте, что на левом нижнем рисунке справа к волокну приклеились чешуйки – скорее всего графен:


Поперечный срез волокна препрега

На первый взгляд кажется, что поверхность волокна гладкая. Но это не совсем верно, так как гладкая поверхность обладает худшей адгезией по сравнению со «структурированной», как в данном случае:


«Нано»шероховатое волокно – лучших адгезионых свойств и представить не возможно

Такие наношероховатости позволяют клею лучше удерживать волокна между собой. Надо сказать, чтобы получить слом, я потратил минут 30, ковыряя, ломая и всячески издеваясь над кусочком препрега, который был легче кредитной карточки и имел толщину всего ~3 мм и шириной не более 5-6!

До сих пор для меня остаётся данный факт загадкой. Данная структура наблюдается на многих разнородных образцах органического происхождения – вот и на препреге то же:


Безумно красивый узор, похожий более на фрактал, чем на что либо ещё

Дальше о материалах – полимеры на примере полиэтилена и полипропилена.

Полимеры


Хоть я и знаю подробности получения тех или иных материалов, но дабы не нарушить каких-либо ноу-хау и секретов, намеренно их не разглашал и не разглашаю. Так будет и со следующим нашим гостем – полиэтиленом.

Начнём с простого – полиэтилена (PE). На тонкую плёнку полимера изначально нанесли слой метала для улучшения проводимости, а затем провели деформирование – растянули.


PE – плотная полимерная плёнка

Да, на нижней фотографии можно различить отдельные домены – это потрясающе, их размер едва ли дотягивает до пары десятков нанометров. Согласно общепризнанной теории такие полимеры, как PE состоят из «кристаллических» (взято в кавычки, так как это не совсем кристаллы, в привычном физикам смысле этого слова) и аморфных областей между ними.

Если же в каком-то месте деформация по каким-либо причинам окажется чуть больше положенного, то можно увидеть следующую картину:


Тот же образец полиэтилена, только деформация была чуть больше положенного

Для сравнения. Существует огромный класс так называемых hard-elasctic polymers, то есть такие полимеры, которые обладают большой упругостью. Например, специально приготовленный полипропилен (PP), который в химии используется в качестве замены стеклу и может выдерживать нагрузки до 20 000 g.


Пример PP, который растягивается с образованием шеек диаметром несколько десятков нанометров

Далее, PVP или поливинлпропилидон, спектр применения которого крайне широк: от компонента клеев до буфера для экстракции ДНК. На данных фотографиях представлен поперечный срез полимера:


Поперечный срез PVP

Кстати, хороший пример для любителей различных холиваров, особенно на тему российского и западного производства.

Итак, есть полиэтилен, который с помощью специального станка вытягивают из некоторого объёма. Станок называется экструдером, а сам процесс – экструзия. Ось экструзии на всех фотографиях направлена горизонтально. Станки на производствах по всему миру более-менее одинаковы – их поставляет, как в недавнем посте про Applied Materials, несколько фирм.

Вот пример западного производства:


PE западного производства

Ламелии аккуратно упакованы, «дыр» практически не наблюдается. Просто идеальная плёнка для упаковки, в частности, в пищевой промышленности.

Та же самая плёнка российского производства:


PE российского производства

Невооружённым глазом видно, что технологический процесс необходимо корректировать: уменьшать давление или увеличивать температуру полимера, а может быть дело в сырье?!

На минуточку от материи неживой перейдём к любимому лакомству всех киноманов – поп-корну.

Поп-корн


Что можно сказать о поп-корне? Это высушенные зёрна кукурузы, которые нагрели в масле, и они, в прямом смысле этого слова, взорвались. Например, так:



Поверхность одного зёрнышка поп-корна выглядит неброско:


Поверхность зерна кукурузы

Тогда как внутри спрятаны клетки в «кубическом стиле». Скорее всего, до момента высушивания они и имели какую-то более-менее сферическую или вытянутую в эллипс форму, но после остались лишь кубики:


Спрятанный внутри кубический мир высушенных клеток

Конечно, внутренности клетки не могут просто так взять и испариться за считанные доли секунды, даже если их нагрели до высокой температуры, как, например, у кипящего масла:


Клетки приготовленного поп-корна уже больше похожи на сферические

Однако попадаются области, где от клеток остаются лишь тонкие стенки:


Почтим память клеток вставанием...

Так… Чтобы ещё можно было показать из того многообразия, которое нас окружает?!

Зубы


Да, у многих детей страны Советов, наверняка, до сих пор хранится пара молочных зубов, поэтому полагаю, что заглянуть вовнутрь зуба было бы интересно.

Итак, что мы знаем о строении зубов? Если кратко, то всё просто. Основная зубная ткань – дентин, который защищён от агрессивной окружающей среды эмалью, а питается через специальную полость, называемую пульпой.


Строение человеческого зуба (Источник)

Не уверен точно, чей был это зуб – может быть, даже и мой, но использовали его на полную катушку — это определённо. Чего только стоят испещрённая бороздами эмаль:


Поверхность зуба

Если взглянуть на зуб изнутри, то можно заметить, что дентин разительным образом отличается от плотной эмали. Это сотовая структура, которая состоит из двух типов пор и которая заполнят практически всё пространство внутри самого зуба, оставляя лишь небольшой канала для кровеносных капилляров и нерва.


Микрофотографии дентина


2 типа пористости в дентине: поры размером в десятки микрон и совсем небольшие размером несколько микрометров

Стоит отметить, что аналогичные каналы, только большего размера можно легко различить на срезе практически любого цветка – поистине уникальное изобретение Природы. В растении они используются для транспорта питательных веществ, в человеческом зубе – аналогично, однако мало кто задумывается, что именно они повинны в излишней чувствительности к теплу, холоду, кислым субстанциям. Представьте, если эмаль в каком-то месте «проносилась» (будь то кариес или какое-либо иное, более серьёзное заболевание/повреждение), то за счёт каналов кислые продукты напрямую контактируют с пульпой и нервом. А это уже вызывает неприятные ощущения.

Кстати, поговорим о малоприятном – о кариесе. Всем известно, что кариес – микроорганизмы, которые питаются останками пищи и живут на поверхности наших зубов, однако мало кто встречался лицом к лицу с этим врагом современного человека. Прошу любить и жаловать – кариес:


Область зуба, на которой когда жил и работал кариес…

Возможно, за те 10-15 лет, что зубы пролежали на полке, сами микроорганизмы тем или иным образом исчезли, но вот последствия их работы на поверхности зуба остались, особенно заметно это при помощи электронного микроскопа — даже самые незначительные области.

И замукающим на сегодняшнем празднике жизни будут струны…

Теория струн


Примерно с год назад GreyCat, откликнувшись на мой зов о новых идеях и образцах для распила, выдал на гора целый пакет самых различных струн – вплоть до самых толстенных басовых.

Поначалу я хотел написать отдельный пост о струнах, предполагая, что смогу найти в них что-то интересно, как это было с другими объектами, образцами. Однако что-то пошло не так из всего накопленного материала опишу лишь несколько характерных и поучительных примеров.

Вдоль всей своей длины струна выглядит относительно гладкой, без каких-либо значительных дефектов:


Обычная струна диаметром с 2-3 человеческих волоса

Первое, что бросается в глаза – деформация струн и их поверхности на концах, где их тем или иным образом скручивают, чтобы закрепить на грифе или деке, например. В результате чего, можно с лёгкостью обнаружить линии, вызванные таким закручиванием металла:


Деформация гладкой поверхности струн при скручивании

Если же деформации большие, то взору откроется и внутреннее строение струн:


Чуть больше силы, чуть круче угол и деформация струны приводит уже совсем к другим последствиям

Основной вопрос, конечно же, такая слоистая структура – это результат деформации или особенность технологического процесса производства?! К сожалению, у меня нет ответа на данный вопрос.

Срез же выглядит очень и очень забавно и отчасти напоминает слои на фотографии деформированной струны выше:


Срез струны – стекающая лава музыки

И последний снимок – сама элегантность. Каю надо было складывать не слово вечность, а струны скручивать:


Вечность...

На этом, пожалуй, всё – все струны выглядят одинаково, видимо, сделаны одним производителем и из одного и того же материала.

Бонус номер раз


В качестве нагревательных элементов используется великое множество материалов. Для микропечей (например, в научных приборах) применяется сплав платины и родия (10-15%), проволока из которого достаточно гибка – не в пример хрупкой платине. Однако постоянный нагрев охлаждение, особенно в присутствии фосфатов приводит к рекристаллизации сплава и в конченом итоге к короткому замыканию.

И вот однажды этот день настал:


Рекристаллизованная платиновая проволока

Некоторые из кристаллов имеют настолько правильную форму — видимо, сформировались уже давно, что порой невозможно представить себе, что когда-то это была проволока:


Микрокристаллиты платины на поверхности керамической детали

Бонус номер два


Что такое травление плазмой?! Очень просто. Берём катод, анод, помещаем их в камеру, из которой откачиваем воздух, и добавляем газ по вкусу (аргон, кислород и так далее). Затем между катодом и анодом пропускаем ток высокой частоты, который собственно и создаёт плазму.

У многих наверное дома есть такая игрушка, работающая на принципах трансформатора Теслы:


Пример мирного применения плазмы (Источник)

Так как образующиеся в плазме частицы обладают высокой реакционной способностью, то они эффективно очищают практически любую поверхность от «нано» загрязнений.

Магнетронное напыление – процесс чуть более сложный. К электрическому полю необходимо добавить магнитное для удержания плазмы у катода. Это делается для того, чтобы плазма атаковала мишень с золотом, хромом, никелем или каким-либо другим металлом или не металлом, вырывая отдельные атомы из мишени и создавая облако низкоэнергетических частиц, летящих к катоду.


Принцип действия установки для магнетронного напыления покрытий (Источник)

А теперь обещанное видео, как это всё выглядит и работает на живых примерах (из-за плохой цветопередачи кислородная плазма оказалась голубой, хотя на самом деле фиолетовая):



NB! Хочу поблагодарить Clevik за классную подборку старых процессоров. Думаю, что найду им достойное применение и когда-нибудь напишу всё же обзор о них.



Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
Взгляд изнутри: Plastic Logic
Взгляд изнутри: RFID и другие метки
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3
Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар
Взгляд изнутри: а так ли хороши Filament-лампы?

и 3DNews:
Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Евгений @Tiberius
карма
589,5
рейтинг 33,8
Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (25)

  • +3
    Чудовищно круто. Хочу лишь уточнить, что между магнетронным напылением и sputter deposition есть фундаментальная разница.
    Машинка на видео — похоже делает именно sputter deposition, а не магнетронное.
    • +2
      По-моему, называется корректно оно High-power impulse magnetron sputtering, а группа методов sputter deposition.

      Основное отличие магнетронного — наличие магнита.
  • –7
    Прочитав название, почему-то вспомнил спам-рассылку про видео секса изнутри…
    Но блин, как же завораживает материал статьи! Круто!
    • +2
      Оно конечно порно, но гиковское, а в нем нет места сексу. Вот я даже и не знаю, что мне нравится больше…
  • 0
    Спасибо за отличную статью. Понравилась «Теория Струн».
  • 0
    Спасибо за труды! Отличная статья, как и все предыдущие:)
  • 0
    Как в космосе побывал.
  • 0
    Практического смысла к сожалению очень мало, зато очень зрелищно — интересно читать.
    • +7
      Согласен.
      Однако я вижу практический смысл в том, чтобы показать людям, что вокруг спрятан мир, который интересно изучать!
  • +1
    Первые картинки еле осилил (вообще всякую органику, как например дерево, под микроскопом очень плохо переношу), но потом стало очень интересно, а струны были приятнейшим бонусом :-)
  • +4
    Открыл фотографию дыхательных пор древесины на рабочем компьютере — почему-то коллеги на меня теперь косятся.

    А вообще — очень крутая статья, наводит мысль на то, что от природы мы можем воспринимать очень маленький диапазон по шкале расстояний, а наука его расширяет на много порядков. Спасибо!
    • 0
      По аккуратнее всё же — коллеги не поймут увлечение наукой;)
  • 0
    А есть хайрез переплетающихся струн?
    • 0
      К сожалению, нет...(((
  • 0
    Классная статья.

    Но по своему опыту работы с композитами, могу сказать, что у вас тут не «препрег», а уже готовый композит. Следов жидкой смолы не видно. А смысл слова «пре-прег» (pre-impregnated) именно в том что это ещё пока сырая карбоновая (или кевларовая) тряпка, пропитанная смолой. Пока оно находится на Б-стадии — это препрег, когда высыхает — уже нет, это уже готовое изделие.
    • 0
      Хорошо. Всегда полагал, что препрегом называется всё до готового изделия — тогда как тогда это назвать — карбоном?! или просто углепластиком?
      • +1
        да, и то и другое используется в обиходе. можно написать что деталь была получена из препрега, а не пропиткой на месте или горячей инжекцией. но сейчас почти все детали (для тюнинга и для лодок) делают из препрегов, так проще.

        P.S.: если вы находитесь в Москве, то могу пожертвовать для опытов сухие карбоновые и кевларовые тряпки (которые ещё пока без смолы)
        • 0
          К сожаоению, тематика предыдущих двух постов говорит сама за себя...(((
  • +4
    К микрокристаллам платины могу добавить микрокристаллы серебра, взращенные на углеродных нанотрубках при различных токовых режимах электрохимического осаждения и его длительности:

    Скрытый текст


    Скрытый текст


    Скрытый текст


    Скрытый текст


    Скрытый текст


    Скрытый текст

    • 0
      Какие ровные гексагончики — ммм…
      • 0
        Ага :) Самые красивые выбрал. Занимаемся этим (и не только) в Тамбовском государственном техническом университете.
  • +1
    Коллега по цеху — KOLANICH — указал на неточность при описании опыта с бумагой и карандашом.

    Так как коллега имеет низкую карму, то напишу за него сам.

    Ситуация такова, что грифель карандаша это не совсем графит, а смесь графита с глиной — подробнее о технологии производства тут. Таким образом, коллега считает, что отслоить монослой графен не получится, для этого нужен «особо чистый графит, причём монокристалл, а в карандаше не только графит, там осаждённая и спечённая взвесь молотого графита и глины». И естественно, Нобелевский эксперимент был выполнен на таком правильном, чистом графите.

    Позволю себе немного прокомментировать. Коллега прав абсолютно, однако графен в рассматриваемом случае всё равно потенциально — я не пробовал, к сожалению — возможно получить чешуйки графена, пусть они и будут затеряны среди частиц глины и не будут монослойными. Графен можно получить практически с любого куска графита, просто из-за природы связей между слоями — они очень слабые, Ван-дер-Ваальсовы.
  • +1
    Хотелось бы отметить, что углеродное волокно не является полностью аморфным, а имеет турбострактную структуру и в зависимости от технологии получения может характеризоваться наличием некоторого количества аморфной структуры, равномерно распределенной по всему объему волокна.

    По-поводу струн. Скорей всего наличие слоистой структуры обусловлено волочением проволоки, в результате которой зерна металла деформируются вдоль направления волочения и имеют вытянутую форму. Образование «лавовых» потоков вероятно также связанно с деформацией зерен металла, которые вытянуты в направлении резки или рубки струны.

    Мне было бы интересно узнать, из какого материала сделана исследуемая струна?
    • 0
      Маркировона она Ti, т.е. думается сплав на основе титана.
  • +1
    Самое смешное в статье, это фраза «Невооружённым глазом видно» :))

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.