Актуальность работы Калмыкова Алексея велика, так как предметом исследования является практическое применение кристаллов в современной технике и технике. - презентация

1

2 Актуальность работы Калмыкова Алексея велика, так как предметом исследования является практическое применение кристаллов в современной технике и технике будущего. Целью его исследования является расширение знаний по теме кристаллические тела. Задачи исследования состоят в расширении знаний о строении кристаллов, приобретении опыта работы в сети Интернет и формировании навыков исследовательской работы и навыков публичного выступления. Практическая значимость предложенной работы состоит в том, что отдельные её части могут быть успешно использованы учителем физики для улучшения качества преподавания физики 10 класса в теме «агрегатные состояния вещества».

3 Кроме того, опубликованный фактологический материал может быть использован преподавателем физики в рамках учебных элективных курсов и во внеурочной работе по предмету. В ходе исследования была проведена экскурсия в Северо Кавказский государственный технический университет кафедры нанотехнологий и беседа с деканом физико – технологического факультета Визер Любовью Николаевной.

4 В ходе исследования была проведена экскурсия в Северо Кавказский государственный технический университет кафедры нанотехнологий и беседа с деканом физико – технологического факультета Визер Любовью Николаевной. Алексей видит свою будущую профессию связанной с исследованием кристаллов. Для него эта тема очень увлекательна, занимается он ей около полутора лет.

5 Введение Введение Введение Теоретические основы исследования вклада учёных в развитие кристаллографии Теоретические основы исследования вклада учёных в развитие кристаллографии Теоретические основы исследования вклада учёных в развитие кристаллографии Теоретические основы исследования вклада учёных в развитие кристаллографии Применение кристаллов в науке и технике Применение кристаллов в науке и технике Применение кристаллов в науке и технике Применение кристаллов в науке и технике Заключение Заключение Заключение Литература Литература Литература

6 Введение Одно из новых научно – технических направлений, сформировавшихся на наших глазах, - космическое материаловедение: получение новых веществ и материалов и улучшение их веществ в невесомости. Наибольший интерес с точки зрения рентабельности производства в космосе представляют те вещества и материалы, к которым предъявляются повышенные требования в отношении их структурного совершенства и однородности. Особое место среди них занимают монокристаллы полупроводников, получаемые обычно в наземных условиях кристаллизацией из расплавов в специальных высокотемпературных печах, после переплавка этих кристаллов осуществляется в условиях космоса.

7 Учеными обсуждалась ситуация кристаллизация звезд называемых белыми карликами. Теория эволюции звезд предсказывает, что когда белый карлик был молодым, в его недрах шли ядерные реакции, и он был довольно – таки горячим. После того как ядерные реакции кончились, температура в звезде могла быть еще около 107 К, при достаточно высоких температурах карлик мог и не быть кристаллическим. По мере его остывания должна пройти кристаллизация. В кристаллизующейся звезде внутренние области все время остаются горячее наружных, поэтому кристаллическая структура – «корка» - возникает сначала именно снаружи, а уже потом «прорастает» в глубь карлика. При кристаллизации выделяется энергия.

8 Научные подходы к исследованию кристаллов от древнейших времён до современности Научные подходы к исследованию кристаллов от древнейших времён до современности Научные подходы к исследованию кристаллов от древнейших времён до современности Научные подходы к исследованию кристаллов от древнейших времён до современности Российские ученые, внёсшие значительный вклад в развитие кристаллографии Российские ученые, внёсшие значительный вклад в развитие кристаллографии Российские ученые, внёсшие значительный вклад в развитие кристаллографии Российские ученые, внёсшие значительный вклад в развитие кристаллографии Роль Вернадского В. И. в становлении современной науки о кристаллах Роль Вернадского В. И. в становлении современной науки о кристаллах Роль Вернадского В. И. в становлении современной науки о кристаллах Роль Вернадского В. И. в становлении современной науки о кристаллах

9 Получение и применение кристаллов Получение и применение кристаллов Получение и применение кристаллов Получение и применение кристаллов Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы

10 Пространственно- временные модуляторы света Пространственно- временные модуляторы света Пространственно- временные модуляторы света Пространственно- временные модуляторы света Управляемые оптические транспаранты Управляемые оптические транспаранты Управляемые оптические транспаранты Управляемые оптические транспаранты

11 литература 1. Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика Пресс, 1995 г. 2. Энциклопедический словарь юного техника. – М.: Педагогика, 1980 г. 3. Х. Рубах. Загадки молекул. – Л.: Химия, 1979 г. 4. С. А. Пикин., Л. М. Блинов. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982 г. 5. Милашев В. А. Алмаз. – Л.: Недра, 1981 г. 6. В. Шуман, 1 том. Мир камня. Горные породы и минералы. М.: Мир, 1986 г. 7. В. И. Рич, М. Б. Черненко. Неоконченная история искусственных алмазов. - М.: Наука, 1976 г. 8. Б. З. Кантор. Минерал рассказывает о себе. – М.: Недра, 1985 г. 9. И. И. Шафрановский. Симметрия в природе. – Л.: Недра, 1985 г. 10. Ю. И. Дик, Кабардин О. Ф., Орлов В. А. и др. Физика. Учебное пособие для 10 классов. - М.: Просвещение, 1993 г.

12 11. Блинов Л.М., Пикин С.А. Жидкокристаллическое состояние вещества. - М.: Знание, 1986 г. 12. Блинов Л. М., Береснев Л. А. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. - Успехи физических наук, 1984 г, т.143, вып Веденов А.А. Физика растворов. М.: Наука, 1984 г. 14. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. - Перевод с английского под редакцией А. Ф. Сонина. - М.: Мир, 1977 г. 15. Сонин А.Ф. Кентавры природы. - М.: Атомиздат, 1980 г. 16. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982 г. 17. Вейль Г. Симметрия. - М., 1968 г. 18. Шубников А.В. и Парвов В.Ф. Зарождение и рост кристаллов. - М., 1999 г. 19. Китайгородский А.И. и Федин Э.И. Атомное строение и свойства твёрдых тел. - М., 1963 г. 20. Ходаков Ю. В. Архитектура кристаллов. - М., 1980 г. 21. Детлаф А. А. Курс физики. - М., 1973 г. 22. Вайнберг Д.В., Писаренко Г.С.Механические колебания и их роль в технике. - М., 1977 г. 23. Пикин С. Жидкие кристаллы. - М., 1981 г. 24. Галиулин Р. В. Как устроены кристаллы. - М., 1983 г.

13 Научные подходы к исследованию кристаллов от древнейших времён до современности Авиценна (Ибн-Сина), живший в 980 – 1037 гг. в Хорезме и Иране (см. Фотографию), был естествоиспытатель в широком смысле этого слова - философ и врач, геолог. В своем труде "Собрание сведений для познания драгоценностей" он описал свойства горных пород и руд. Все минералы он разделял на четыре группы: 1) камни и земли; 2) плавкие тела (металлы); 3) серные (горючие) вещества; 4) соли (растворимые вещества). Классификацией Авиценны в минералогии пользовались до середины XVIII в.

14 Гай Плиний Секунд Старший (23 – 79 гг. н.э.) в энциклопедическом труде "Естественная история" изложил свои представления и привел сведения по минералогии, которой он отвёл пять томов из 37-ми. Он описывает алмаз, золото, кварц, берилл, топаз и другие минералы, их происхождение и применение. Однако наряду с научными данными Плиний приводит многочисленные надуманные истории: о камнях, привлекающих змей, о "драконовом камне", вырезанном из мозга спящего дракона, о "беременных камнях", рождающих себе подобных и т.д., дает ряд "рецептов" по применению камня. Так, для размягчения алмаза он рекомендует вымачивать его в теплой козлиной крови. Алмаз, по его мнению, может "уничтожать яды" и отгонять "пустые страхи". Происхождение алмаза Плиний связывал с золотом.

15 В России минералогия начала интенсивно развиваться с момента создания в начале XVIII в. Горнозаводской промышленности. Основоположником ее был М. В. Ломоносов (см. фотографию). Идеи М. В. Ломоносова в дальнейшем развивали К. Г. Лаксман (1737 – 1796 гг.), Ф. П. Моисеенко (1754 – 1781 гг.) и особенно академик В. М. Севергин (1765 – 1826 гг.). В 1773 г. В Петербурге было создано первое в стране Горное училище, сыгравшее исключительную роль в становлении отечественной минералогии. Создателем минералогической школы Горного училища был Д. И. Соколов (1788 – 1852 гг.). Расцвет этой школы связан с работами акад. Н. И. Кокшарова (1818 – 1892 гг.), Е. С. Федорова (1853 – 1919 гг.). В России минералогия начала интенсивно развиваться с момента создания в начале XVIII в. Горнозаводской промышленности. Основоположником ее был М. В. Ломоносов (см. фотографию). Идеи М. В. Ломоносова в дальнейшем развивали К. Г. Лаксман (1737 – 1796 гг.), Ф. П. Моисеенко (1754 – 1781 гг.) и особенно академик В. М. Севергин (1765 – 1826 гг.). В 1773 г. В Петербурге было создано первое в стране Горное училище, сыгравшее исключительную роль в становлении отечественной минералогии. Создателем минералогической школы Горного училища был Д. И. Соколов (1788 – 1852 гг.). Расцвет этой школы связан с работами акад. Н. И. Кокшарова (1818 – 1892 гг.), Е. С. Федорова (1853 – 1919 гг.).

16 Роль Вернадского В. И. в становлении современной науке о кристаллах Вернадский Владимир Иванович ( ) выдающийся русский ученый, работавший на стыке геологических и биологических наук и наук об атомах. Он внёс большой вклад в разработку многих философских и методологических проблем естествознания; завершил становление геохимии; создал новую ее отрасль - биохимию; развил учение о биосфере и месте в ней человека; обосновал переход биосферы в ноосферу.

17 Вернадский - один из создателей генетической минералогии и радиогеологии; он оказал значительное влияние на развитие кристаллографии, почвоведения, метеоритики, истории и методологии науки. В своем научной творчестве Вернадский стоял на позициях материализма, стихийно руководствовался идеями диалектики. Высоко ценил значение философии для научного исследования. Указывал на необходимость разработки логики и методологии естествознания. Сегодня, когда человечество настойчиво ищет решение сложнейшего комплекса глобальных проблем экологии, все большее число советских и зарубежных ученых обращается к наследию Вернадского, к его учению о космической роли живого вещества, коэволюции биосферы и человека.

18 Огромное влияние на современную минералогию оказало естественно - историческое химико-генетическое направление, в котором Вернадский рассматривал минерал как продукт, возникший в результате протекающих в земной коре природных химических реакций и преобразующийся при изменении внешних физико - химических условий. В. И. Вернадским создана современная генетическая минералогия, геохимия и биогеохимия. Его идеи развивали А. Е. Ферсман, Я. В. Самойлов, П. П. Пилипенко, Н. А. Смольянинов, С. М. Курбатов, А. С. Уклонский, Е. К. Лазаренко и др. Исключительная роль в этом принадлежит акад. А. Е. Ферсману ( гг.).

19 Им основаны учения о пегматитах, о типоморфизме минералов; разработаны принципы минералого-геохимических поисков; начаты исследования по региональной минералогии. Ряд его трудов посвящен драгоценным камням. Его перу принадлежат "Очерки по истории камня", "Драгоценные и цветные камни СССР", "Рассказы о самоцветах", "Из истории культуры камня в России", "Цвета минералов", "Занимательная минералогия" и ряд других книг, написанных интересно, с большим художественным вкусом.

20 А. Е. Ферсман был лучшим знатоком драгоценных камней у нас в стране и воспитал плеяду специалистов, прекрасно знающих и понимающих эти камни - В. И. Крыжановского, А. А. Мамуровского, Г. Г. Леммлейна, Г. П. Барсанова и пр. Он был энтузиастом создания в стране производства камнесамоцветного и ювелирного сырья, одним из организаторов треста "Русские самоцветы". Наряду со школой акад. В. И. Вернадского развивалась и классическая минералогическая школа Ленинградского горного института, блестящими представителями которой явились А. К. Болдырев, С. С. Смирнов, А. Г. Бетехтин, П. М. Татаринов, А. Н. Заварицкий, В. Н. Лодочников, Д. П. Григорьев.

21 Получение и применение кристаллов Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов. Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.

22 Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй - в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя. Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй - в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.

23 Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после оборотов. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после оборотов. Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним, по разнообразию технических применений, рубин - благородный корунд, окись алюминия Al2O3 с красящей примесью окиси хрома. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными. Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним, по разнообразию технических применений, рубин - благородный корунд, окись алюминия Al2O3 с красящей примесью окиси хрома. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.

24 Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

25 Жидкие кристаллы Жидкими кристаллами называются жидкости, которые состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определённый порядок в своём расположении относительно друг друга. У молекул жидких кристаллов можно чётко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии или лежат в выделенной плоскости. В жидком кристалле имеется особое направление, как и в твёрдом, вдоль которого ориентируются длинные оси молекул или плоскости молекул. При этом жидкий кристалл может быть действительно жидким, как вода, т. е. центры масс молекул не образуют правильную решётку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться.

26 В отличие от твёрдых кристаллов, где оптические оси жёстко закреплены, в жидких кристаллах направления оптических осей можно легко изменять с помощью самых различных воздействий, в том числе и электрическим током. Для управления оптическими свойствами жидких кристаллов требуются весьма малые напряжения(1 В). Это объясняется тем, что все их молекулы взаимосвязаны, ориентированы одинаково и достаточно повернуть одну из них, чтобы все остальные молекулы изменили свою ориентацию. Благодаря таким электрооптическим эффектам, жидкие кристаллы приобрели большое практическое значение. Они применяются при изготовлении табло электронных часов и калькуляторов.

27 Пространственно – временные модуляторы света Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако, в связи со сложностью их производства, при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По­этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране, малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако, в связи со сложностью их производства, при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По­этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране, малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки.

28 Принцип записи изображения очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке - теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно­сти, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия света. Принцип записи изображения очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке - теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно­сти, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия света.

29 Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1 х 1 см. Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1 х 1 см.

30 Управляемые оптические транспаранты Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами.

31 Модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному осве­щению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изо­бражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^10°) раз и более. В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"10^) числом каналов. Модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному осве­щению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изо­бражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^10°) раз и более. В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"10^) числом каналов.