МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
КАК ОТРАЖЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК
Баранов М.А. – д.ф.-м.н., проф., Щербаков В.М. – ст. преп., Черных Е.В. – к.ф.-м.н, доцент
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Одновременное сочетание для сталей и сплавов высоких показателей физико-механических свойств – прочности, износостойкости, способности в течение длительного времени воспринимать ударные нагрузки при одновременном воздействии высоких и низких температур делает их незаменимым классом материалов в области машиностроения. Создание специальных сталей и сплавов с заранее заданным набором механических свойств представляет собой длительный, трудоёмкий, дорогостоящий процесс. Поэтому применение для этой цели методов компьютерного моделирования было бы весьма желательно. Любое механическое свойство (твердость, предел текучести и др.), по определению, это отклик материала на то или иное механическое испытание, которое, в свою очередь, обязательно сопровождается пластической деформацией. Однако современное развитие моделей пластической деформации и вычислительной техники не позволяет выполнить прямое атомно-дискретное моделирование даже столь простого механического испытания как вдавливание индентора. С другой стороны, механические свойства сплава по сути являются отражением состояния кристаллических решёток образующих его фаз. Подтверждением этому является сам факт существования справочников по механическим свойствам сталей и сплавов. Поэтому доступный и реализуемый алгоритм прогнозирования механических свойств должен основываться на решении двух взаимодополняющих задач. Во-первых, необходимо выполнить моделирование состояния решёток известных сталей и сплавов и их сопоставление с соответствующими показателями механических свойств. Во-вторых, исходя из требуемых значений показателей механических свойств и полученных данных установить параметры состояния кристаллической решётки сплава, а затем, применяя методы компьютерного моделирования подобрать химический состав сплава так, чтобы он обеспечивал требуемое состояние и, следовательно, показатели механических свойств.
Целью настоящей работы является количественная проверка гипотезы: «механические свойства сталей определяются в основном состоянием его кристаллической решётки». Решётка неупорядоченного сплава сложного химического состава искажена вследствие несимметричного окружения каждого из образующих её атомов (рисунок 1.) 

Рисунок 1. Искажённость решётки стали 30Х16Н22В6БЛ, обусловленая неупорядоченным расположением и взаимными смещениями атомов
Весовой состав стали 30Х16Н22В6БЛ: 0.27-C, 0.3-Si, 16Cr, 1.5Mn, 53-Fe, 22-Ni, 1-Nb, 6-W. На рисунке векторы атомных смещений для наглядности показаны увеличенными в 25 раз. Препятствуя скольжению дислокаций, то есть пластической деформации, искаженность решётки способствуют повышению твердости и прочности материала. В качестве меры этой искажённости и первого параметра состояния правомерно рассматривать величину Sm среднего смещения атомов относительно геометрически правильных положений узлов. 
Так как для реализации пластической деформации необходим разрыв и восстановление межатомных связей, то в качестве другого параметра состояния имеет смысл рассматривать величину энергии связи ЕСВ в расчёте на атом..
Моделирование состояния кристаллических решёток 24 промышленно выпускаемых сталей и сплавов аустенитного класса выполнено с определением параметров Sm и ЕСВ. 
Таблица 1. Экспериментальные значения показателей механических свойств и рассчитанные значения параметров состояния кристаллической решетки
Марка стали, сплава	σВ, МПа	σ02, МПа	δ, %	НВ	Sm, Ǻ	ЕСВ, эВ/атом	
12Х18Н9	490	196	45	179	0,108	4,675	
03Х23Н28Ю4Т	490	216	30	-	0,065	4,661	
09Х14Н19В2БР	510	220	35	200	0,106	4,718	
08Х18Н10Т	510	205	43	143	0,104	4,730	
09Х14Н19В2БР1	510	215	30	158	0,085	4,568	
20Х23Н18	510	250	35	178	0,149	4,737	
08Х18Н10	510	205	45	143	0,087	4,665	
10Х16Н14В2БР	520	220	38	200	0,127	4,717	
02Х17Н11М2	520	250	35	150	0,059	4,74	
12Х18Н10Т	530	205	38	179	0,106	4,668	
08Х21Н6М2Т	539	343	20	170	0,100	4,672	
08Х22Н6Т	539	345	20	170	0,141	4,716	
20Х23Н13	540	295	35		0,147	4,715	
08Х16Н9М2	540	220	38	200	0,090	4,695	
08Х16Н13М2Б	550	230	40	160	0,134	4,744	
1Х14Н14В2М	550	220	35	175	0,125	4,747	
17Х18Н9	590	185	35		0,174	4,648	
3Х16Н22В6Б	600	300	20		0,229	4,779	
ХН35ВТК	650	350	15	236	0,149	4,855	
12Х25Н16Г7АР	690	325	40		0,177	4,870	
31Х19Н9МВБТ	700	340	28	189	0,235	4,656	
ХН60Ю	720	360	50		0,126	4,881	
ХН65ВМТЮ	830	490	20		0,198	5,063	
ХН60КВМЮТЛ	833	735	3		0,141	5,851	
ХН58ВКМТЮБДЛ	950	850	5		0,090	5,940	

Для проверки указанной выше гипотезы показатели механических свойств аппроксимировались функцией, 
                                      (1)
зависящей от рассчитанных величин атомных смещений и энергий связи. Параметры p0, p1, p2, p3 этих функций подбирались таким образом, чтобы среднеквадратичное расхождение
                                                 (2)
было бы минимальным. Суммирование в (2) проводится по всем маркам сталей или сплавов исследуемого набора; Fi– экспериментально измеренное значение механического свойства i-го сплава или стали. Значения параметров функций аппроксимирующих, исследуемые механические свойства в соответствующих единицах измерения приведены в таблице 2.

Таблица 2.
Мех.  Свойство	P0	p1	p2	p3	
ΣB	-1085,0	212,8	323,5	-4,2	
σ02	-2145,9	71,92	499,1	-77,8	
Δ	157,4	-25,187	-23,3	63,9	
HB	100,9	58,7	11,7	-130,3	

Из сопоставления коэффициентов следует, что ожидаемая зависимость механических свойств от энергии связи и величины атомных смещений действительно имеет место, что подтверждает ранее выдвинутую гипотезу.
С использованием аппроксимирующих функций возникает возможность построения линий постоянных значений каждого из механических свойств. На рисунке 2 такие линии приведены для предела прочности. Требуемый химический состав стали в допустимом интервале концентраций может быть подобран в результате сопоставления подобных номограмм для всех механических свойств.

Рисунок 2. Линии постоянных значений предела прочности для рассматриваемого набора сталей аустенитного класса.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - Проект № 08-08-98007 и администрации Алтайского края.
ФУЛЛЕРЕНЫ
Ватулина Е.А. – студент
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Фуллере́ны, бакибо́лы или букибо́лы — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства 
| n | − | e | + | f | = 2 (где | n | , | e | и | f | соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 шестиугольных граней.
Структурные свойства фуллеренов
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.
Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.
Синтез фуллеренов
Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.
На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени, химический синтез и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час). Впоследствии, фирме Мицубиси удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.
Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12С. После экстракции фуллеренов, было показано методом ЯМР, что атомы 12С и 13С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.
Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С60 и С70 и кристаллы С60/С70, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250° С в условиях динамического вакуума (около 0.1 торр).
Соединения, подобные фуллеренам, образуются при авариях на ядерных объектах с графитовыми стержнями-ограничителями (возможно, например, в Чернобыльской катастрофе). Учитывая достаточно высокую биологическую проницаемость этих углеродных соединений и возможность несения в своей полости атома урана или другого неустойчивого элемента, они могут нести ответственность за некоторые аутосоматические формы лучевой болезни.
Физические свойства и прикладное значение фуллеренов
Фуллериты
Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С60, менее — система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π- связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C60.
При комнатных температурах кристалл С60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1.415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Ткр≈260 К) и кристалл С60 меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1.411 нм). При температуре Т > Ткр молекулы С60 хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С70 при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе. Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.
Нелинейные оптические свойства фуллеренов
Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С60 способны генерировать и третью гармонику.
Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.
Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники
Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента.
Химические свойства фуллеренов
Фуллерены, не смотря на отсутствие водородов, которые могут быть замещены как в случае обычных ароматических соединений, всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как реакция Дильса-Альдера, реакция Прато, реакция Бингеля. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С60Н2 до С60Н50.
Литература

Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода. — Успехи физических наук, 1995, № 9.
Борщевский А. Я., Иоффе И. Н., Сидоров Л. Н., Троянов С. И., Юровская М. А. Фуллерены — Нанометр, июнь 2007
Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. // СОЖ, 2001, No 8, с. 30-36.
Hirsch, A.; Brettreich, M. Fullerenes: Chemistry and Reactions; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, 2005.(англ.)
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДИФФУЗИИ АТОМОВ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ.
Драгунов А.С. - аспирант, Евтушенко И.В. –студент, Осецкий С.В. – студент
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Основным методом исследования в естествознании является эксперимент. Даже в тех случаях, когда используются феноменологические теории, например, в космологии или в физике элементарных частиц, результаты и выводы, полученные в рамках этих теорий, должны проверяться экспериментом. Понятно, что прямой эксперимент или даже наблюдение во многих случаях невозможно или затруднено. Например, мы не можем исследовать планетные системы у звезд, или измерить температуру внутри Солнца. В физике материалов в настоящее время недоступны для физических измерений многие микроскопические объекты, например, вакансии, дислокации. Часто невозможно исследовать быстропротекающие процессы, такие как фазовые превращения, химические реакции, движение отдельных атомов. Для решения подобных задач в последние годы формируется новое направление физических исследований – компьютерный эксперимент.
Компьютерный эксперимент это ответвление от методов компьютерного моделирования. Термин компьютерное моделирование более широкий. Он включает и численные расчеты по формулам. Например, исследование процессов диффузии или теплопроводности можно провести используя соответствующие уравнения. Для диффузии это уравнение Фика. В компьютерном эксперименте явление исследуется так же как в реальном эксперименте. Строится кристалл, состоящий из атомов, располагающихся в позициях, соответствующих структуре решетки этого кристалла. Задается межатомное взаимодействие. Затем система нагревается и выдерживается некоторое время при заданной температуре. Перемещение каждого атома фиксируется.
Таким образом, в компьютерном эксперименте можно не только получить конечные результаты для процесса диффузии такие как глубина проникновения диффундирующего элемента или коэффициент диффузии, но и многие другие характеристики, связанные с индивидуальным движением атомов. В этом смысле между компьютерным экспериментом и натурным экспериментом имеется большое сходство.
Компьютерный эксперимент в большинстве случаев проводится параллельно с натурным. Это дает очень большой экономический эффект, т.к. часть опытов проводится на виртуальных объектах. Однако есть большой класс задач, которые сложно а часто и невозможно исследовать в натурном эксперименте. К ним, прежде всего, относятся объекты атомного уровня и быстропротекающие процессы. Развитие нанотехнологий является примером научного направления  котором большую роль играет компьютерный эксперимент. Нанообъекты имеют размер менее 100 нм. Увидеть их в оптический микроскоп, разрешение которого 200 нм невозможно, наблюдение в электронный микроскоп очень сложно, атомно-силовая и туннельная микроскопия дают изображения только поверхности.
Один из важных направлений исследований в материаловедении является диффузия. Известно, что диффузия по дефектам (дислокации, границы зерен) протекает быстрее в 100 и даже в 1000 раз, чем в бездефектной части кристалла. С развитием нанотехнологий и применения наноматериалов диффузия по дефектам стала играть большую роль. В наноразмерном кристалле область дефекта может занимать половину объема или даже более. Исследование таких малых объектов может быть выполнено в настоящее время только методами компьютерного эксперимента. Компьютерный эксперимент позволяет получить параметры диффузии исследуя индивидуальные движения атомов.
Широко распространенным методом компьютерных исследований является метод молекулярной динамики. Он позволяет проводить расчеты систем, состоящих из большого числа атомов при высоких температурах. В соответствии с методом молекулярной динамики для каждого атома записываются уравнения динамики Ньютона. В соответствии с этими уравнениями находятся положения атомов (три числа) и скорости их движения (три числа). Набор характеристик представляет числовой массив. Если в расчетах участвует 30000 атомов, то для описания структуры кристалла в данный момент времени при данной температуре требуется 180000 числовых значений. Этот массив и является объектом, с которым должен работать исследователь.
Исследование таких процессов как диффузия требует визуализации элементарных движений атомов. В наших исследованиях закономерности диффузии по границам зерен анализируются с применением программы визуализации траекторий движения атомов. При данной температуре строятся треки – линии, представляющие собой последовательность элементарных отрезков – скачков атомов из одной позиции в другую.
На рис. 1 приведены траектории движения атомов при температурах 700 К и 900 К для различных границ зерен за одинаковые временные интервалы. Исследования проведены для двух границ зерен с углом разориентации 6˚ и 30˚. Видно, что диффузия по малоугловой границе 6˚ при 700 К осуществляется преимущественно вдоль ядер дислокаций образующих границу (рис. 1a). Трубочный характер диффузии сохраняется и при высоких температурах, что хорошо согласуется с дислокационным строением малоугловой границы. По большеугловой границе зерен диффузия идет равномерно по всему объему границы. Локализация диффузионного движения атомов вдоль границы позволяет найти области с избыточным объемом и повышенной энергией. Элементарные перемещения атомов в процессе диффузии связаны с механизмом диффузии. По движению отдельных атомов можно выделить следующие механизмы диффузии: вакансионный, межузельный, кольцевой, краудионный и др.
Предлагаемый в работе метод визуализации траекторий движения атомов позволяет:
1. Найти трехмерные траектории движения атомов. Определить локальные области ускоренной диффузии.
2. Определить механизм диффузии (вакансионный, межузельный, кольцевой, краудионный и др.)
3. Определить области, содержащие свободный объем, найти качественную картину распределения энергии, деформации и др. характеристик вдоль границ зерен.

Рис. 1. Траектории движения атомов в процессе диффузии при температурах 700 К и 900 К. Плоскость ГЗ расположена вертикально и направлена перпендикулярно плоскости рисунка. (a) ГЗ 6˚; (b) ГЗ 30˚.

Исследование механизмов диффузии вблизи межфазной границы Ni-Al в условиях твердофазного контакта методом молекулярной динамики
Кобзарь Л.М. – ст. преподаватель, Кулабухова Н.А. – аспирант, Мартынов А.Н. – аспирант 
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

На границе фаз может возникнуть ситуация, качественно аналогичная той, которая имеет место на границе кристаллов одной фазы, то есть на границах зерен. В связи с этим в определенных условиях возможно ускорение диффузионного переноса вещества вдоль межфазных границ, что имеет подтверждение в экспериментальной практике [1-3]. В работах [1, 2] отмечается, что из-за несовершенства структуры границы фаз могут обнаруживать высокую диффузионную проницаемость, в некоторых случаях даже более высокую, чем границы зерен. Считается, что возможен и обратный случай, когда диффузия вблизи границы фаз идет медленнее, чем в объеме зерна.
Настоящая работа посвящена исследованию методом молекулярной динамики механизмов диффузии вблизи границы раздела Ni и Al в двумерной модели в условиях твердофазного контакта. В качестве металлической системы в настоящей работе взята система Ni-Al, что связано в первую очередь с относительно высокой скоростью взаимной диффузии в этой системе. Кроме того, она является одной из систем, в которых возможно проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, - перспективного технологического процесса, с помощью которого получают интерметаллиды.
Для моделирования диффузии вблизи границы раздела фаз Ni и Al использовалась двумерная модель. Упаковка атомов в модели соответствовала наиболее плотноупакованной плоскости {111} ГЦК решетки. При описании межатомных взаимодействий использовались парные потенциалы Морза [4]. Была проведена апробация потенциалов Морза по температурному коэффициенту линейного расширения, скорости распространения продольных и поперечных упругих волн, энергии образования и миграции вакансий [5, 6]. Полученные значения удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
Межфазная граница создавалась посередине расчетного блока, содержащего от 2000 до 6000 атомов. Рассматривались различные ориентации межфазной границы. Вдоль границы задавались периодические граничные условия, поперек – гибкие, позволяющие расчетному блоку изменять объем. После первоначального создания биметалла проводилась структурная релаксация в завершение которой расчетный блок охлаждался.
Для моделирования диффузии расчетные блоки нагревались до предплавильной температуры Al (900-1000 К). Температура задавалась через начальные скорости атомов в соответствии с распределением Максвелла. При этом суммарный импульс атомов в расчетном блоке был равен нулю. Шаг интегрирования по времени движения частиц в методе молекулярной динамики во всех экспериментах был равен 10-14 с.
В процессе первоначальной структурной релаксации при низкой температуре, в ходе которой происходило сопряжение фаз Ni и Al, на межфазной границе образовывались вершинные дислокации (рис.1). Дислокации возникали в результате несоответствия параметров решеток (дислокации несоответствия) и разориентации контактирующих фаз.
Из наблюдения динамики системы в процессе эксперимента было обнаружено, что в диффузии вблизи межфазной границы до температуры плавления Al определяющую роль играют дислокации несоответствия. Ранее отмечалось [7], что диффузия при этом протекает преимущественно по кольцевому механизму вблизи ядер дислокаций, в результате чего атомы Al занимают прежние места атомов Ni. На рис.2 с помощью визуализатора атомных смещений показаны примеры реализации данного циклического механизма.
Тем не менее, наряду с указанным циклическим механизмом зачастую имеет место механизм, заключающийся в образовании цепочек последовательно смещенных атомов от одной дислокации несоответствия до другой (рис.3). Подобный механизм наблюдался также при моделировании диффузии по границам зерен [8]. С повышением плотности дислокаций вклад данного механизма увеличивался. Вследствие этого, при высокой плотности дислокаций несоответствия диффузия вдоль межфазной границы протекала более интенсивно, чем поперек. Плотность дислокаций, и, следовательно, соотношение коэффициентов диффузии вдоль и поперек межфазных границ, зависит в первую очередь от различия параметров решеток контактирующих фаз. Чем оно больше, тем выше плотность дислокаций и интенсивнее диффузия вдоль границ.

                                    а)                                                                                б)
Рис.1. Дислокации несоответствия на межфазных границах, ориентированных вдоль направлений <110> (а) и <112> (б) в плоскости (111) ГЦК решетки. Атомы Ni – черные, Al – серые.

                                                а)                                                                б)
Рис.2. Примеры реализации циклического механизма диффузии вблизи ядер дислокаций несоответствия в границах, ориентированных вдоль направлений <110> (а) и <112> (б) в плоскости (111) ГЦК решетки. Атомы Ni – черные крестики, Al – серые. Смещения атомов показаны отрезками.

                                                а)                                                                б)
  Рис.3. Примеры образования цепочек последовательно смещенных атомов от одной дислокации несоответствия до другой в границах, ориентированных вдоль направлений <110> (а) и <112> (б) в плоскости (111) ГЦК решетки. Атомы Ni – черные крестики, Al – серые. Смещения атомов показаны отрезками.
Углубление диффундирующих атомов в фазу того или иного компонента было связано с продвижением избыточного свободного объема вглубь Al. В основном это было обусловлено размерным несоответствием межатомных связей Al-Al и образующихся Ni-Al, вследствие чего появлялись искажения решетки, приводящие к переползанию дислокаций несоответствия в объем Al. Вторым фактором продвижения свободного объема служила тенденция Al к повторению кристаллической ориентации Ni, вследствие чего в Al вблизи межфазной границы происходила переориентация кристаллической структуры, фронт которой распространялся вглубь Al и являлся, по сути, межзеренной границей. Следует обратить внимание, что дислокации, а также и вакансии, в молекулярно-динамических экспериментах мигрировали или формировались преимущественно в Al. Это связано с тем, что энергия связи в Al меньше, чем в Ni, поэтому положение дефекта в Al является энергетически выгоднее.
Атомы Ni диффундировали в Al значительно интенсивней, чем атомы Al в Ni. В результате образования новых межатомных связей Ni-Al дислокации несоответствия вследствие переползания смещались в сторону Al. При этом при температурах ниже температуры плавления Al диффузия по-прежнему осуществлялась за счет образования цепочек последовательно смещенных атомов вблизи одного ядра дислокации (циклический механизм) или от одной дислокации к другой.
Таким образом, молекулярно-динамическое исследование показало, что интенсивность диффузии вблизи межфазной границы при твердофазном взаимодействии обуславливается главным образом плотностью дислокаций несоответствия. Основными механизмами диффузии в двумерной модели являются циклические смещения атомов вблизи ядра одной дислокации и образование цепочек последовательно смещенных атомов от одной дислокации к другой. Плотность дислокаций зависит в основном от различия параметров решеток контактирующих фаз. Причем это различие определяет также соотношение интенсивности диффузии вдоль и поперек межфазной границы на начальной стадии взаимной диффузии: чем сильнее различаются параметры решеток, тем выше плотность дислокаций и тем интенсивнее диффузия вдоль межфазной границы. В процессе взаимной диффузии, в результате образования гетерогенных связей Ni-Al, дислокации несоответствия перемещаются в сторону Al. Однако при этом диффузия также протекает за счет образования цепочек смещенных атомов либо вблизи одной дислокации (циклический механизм), либо между двумя дислокациями.
Литература

1. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия, 1971. 496 с.
2. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. 248 с.
3. Бокштейн С.З., Болберова Е.В., Игнатова И.А., Кишкин С.Т., Разумовский И.М. Влияние величины несоответствия параметров решеток фаз на диффузионную проницаемость межфазных границ // ФММ. 1985. Т.59. №5. С. 938-942.
4. Царегородцев А.И., Горлов Н.В., Демьянов Б.Ф., Старостенков М.Д. Атомная структура АФГ и ее влияние на состояние решетки вблизи дислокации в упорядоченных сплавах со сверхструктурой L12 // ФММ. 1984. Т.58. №2. С. 336-343.
5. Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Определение температуры плавления и температурного коэффициента линейного расширения методом молекулярной динамики // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2004. №1. С. 81-85. 
6. Аксенов М.С., Ракитин Р.Ю., Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Локально инициированные упругие волны в ГЦК металлах // Фундаментальные проблемы современного материаловедения.  2005. Т.2. №3. С. 9-13.
7. Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Механизм взаимной диффузии вблизи межфазной границы в двумерной системе Ni-Al // Письма в ЖТФ. 2003. Т.29, №11. С. 30-34.
8. Ракитин Р.Ю., Полетаев Г.М., Аксенов М.С., Старостенков М.Д. Механизмы диффузии по границам зерен в двумерных металлах // Письма в ЖТФ. 2005. Т.31, №15. С. 44-48.
КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ
Рыбоконенко Д. Н. - студент, Гурова Н. М. - к.ф.-м.н., доцент
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Актуальность.
В настоящее время стоимость передачи данных относительно высока, к тому же при использовании беспроводных методов передача может допускать низкое качество приема. Так же скорость приема информации ограничена пропускной способностью среды, через которую осуществляется передача. Для эффективного использования информации необходимо оптимизировать как скорость, так и качество передачи.
Новизна.
В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы — квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.
Постановка задачи и обсуждение.
Сделать так, чтобы некий субъект исчез где-нибудь в Нью-Йорке и в мгновение ока появился, например, в Москве, ученые пока не могут, однако подобная технология вполне может появиться в отдаленном будущем. Тем более что «телепортацию» отдельных элементарных частиц физики уже освоили.
На самом деле, «телепортировать» отдельные элементарные частицы физики умеют с 1998 г., когда был осуществлен перенос отдельного фотона. Речь идет о так называемой квантовой телепортации, в основе которой лежит феномен связанности частиц, при котором изменение квантового состояния одной частицы приводит к аналогичному изменению ее «пары». Квантовая телепортация не позволяет непосредственно перемещать материю или энергию, зато с ее помощью можно с успехом передавать информацию. Более того, в 2006 г. удалось произвести такой информационный обмен между разными элементарными частицами.
Квантовая телепортация — передача квантового состояния на расстояние, при помощи разъединённой в пространстве сцепленной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма. Термин установился благодаря статье в 1993 году Phys.Rev.Lett. 70, 1895—1899 (1993), где описано, какое именно явление предлагается так называть и чем оно отличается от популярного в научной фантастике слова «телепортация». Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации между точками отправления и приёма по классическому, неквантовому каналу, которая может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципов современной физики.
 Квантовая телепортация осуществляется за счёт разделения информации на «квантовую часть» и «классическую часть» и независимой передаче этих двух компонентов. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна — Подольского — Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.
Для простоты будем иметь в виду квантовую систему с двумя состояниями ψ1 и ψ2 (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось). Такие системы часто называют кубитами. Однако, описанный способ пригоден для передачи состояния любой системы, имеющей конечное число состояний.
Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии ψA = αψ1 + βψ2, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать отношение двух комплексных чисел α и β (с бесконечной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно аккуратнее. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.
Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией (вектором состояния), но вся пара целиком (а точнее, интересующие нас степени свободы) описываются единым четырёхмерным вектором состояния ψBC.
Квантовая система частиц A и C имеет четыре состояния, однако мы не можем описать её состояние вектором — чистым (полностью определённым) состоянием обладает лишь система из трёх частиц A, B, C. Когда отправитель совершает измерение, имеющее четыре возможных исхода, над системой из двух частиц A и C, он получает одно из 4 собственных значений измеряемой величины. Поскольку при этом измерении система из трёх частиц A, B, C коллапсирует в некое новое состояние, причём состояния частиц A и C становятся известны полностью, то сцепленность разрушается и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии.
Именно в этот момент происходит как бы "передача" «квантовой части» информации. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!
Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита, соответствующие зацепленному состоянию AC, измеренному отправителем). По законам квантовой механики получается, что имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.
Полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того, как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать о переданном состоянии.
Фантастическое понятие телепортации происходит из специфичной интерпретации эксперимента: «исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть, состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое».
Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима).
В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы — квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.
23 января 2009 года учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр.
В ходе недавних экспериментов впервые удалось осуществить перенос свойств между разными элементарными частицами. Изменяя состояние атомов, датские ученые смогли добиться изменения свойств связанных с ними фотонов лазерного луча за счет квантового эффекта парных частиц. От перспектив захватывает дух.	
Соответствующий эксперимент, успешно проведенный специалистами из Института Нильса Бора и Института квантовой оптики Макса Планка, выглядел следующим образом. Стеклянная колба, содержащая пары цезия, помещалась в гомогенное магнитное поле, которое выравнивало магнитные моменты всех атомов, после чего подвергалась воздействию лазерного импульса. В результате взаимодействия с однородными фотонами лазерного пучка часть атомов приобретали с ними парные свойства. Один фотон оказывался связан с некоторым количеством атомов цезия — от 8 до 12-ти. В сложившейся системе изменение состояния атомов сказывалось на параметрах уже вышедшего из колбы светового пучка. Влияя на пространственную ориентацию атомов с помощью магнитного поля, ученые изменяли такие параметры фотонов, как фаза, частота и поляризация. В то же время, изменение параметров пучка влияло на ориентацию атомов в колбе.
Но раз любой материальный объект можно представить в виде некоторой информационной структуры, квантовая телепортация вполне способна привести к телепортации материальной. Сделать это, теоретически, можно по такой схеме: берем объект, вычленяем в нем его структуру, передаем соответствующий информационный пакет по мгновенному квантовому каналу в зону приемника и собираем там исходный объект из базовых элементов (тех же элементарных частиц, например).
К настоящему моменту дальность телепортации отдельных фотонов доведена до 3 км и более — утверждает Эдвард Фархи. Более того, сравнительно недавно физики научились телепортировать частицы, обладающие массой, — электроны, например. По мнению профессора Фархи, увеличить дальность телепортации до межзвездных, или, на худой конец, до общеземных масштабов — задача крайне сложная, но решаемая. Гораздо больше вопросов вызывает возможность телепортировать такие сверхсложные физические объекты, как человек. «Это и в самом деле находится далеко за пределами наших возможностей. Живой организм содержит порядка 1030 элементарных частиц. Передать информацию о каждой из них на некое расстояние представляется настоящим кошмаром. Я не верю, что эта задача может быть решена в обозримом будущем».
К этому можно добавить сложность достаточной детализации при вычленении информационной структуры живых объектов. Даже если оставаться на атомарном уровне, очевидно, что одних сведений о пространственной конфигурации и статических связях между атомами и молекулами будет явно недостаточно — необходимо как минимум восстановить импульсы всех атомов, молекул и свободных электронов, что сопряжено со значительными трудностями квантово-механического толка.
Существуют и другие проблемы: в частности, Фархи указывает на то, что при данном виде телепортации нужно заранее переслать в зону приемника набор элементарных частиц, необходимый для воссоздания исходного объекта. Кроме того, для расшифровки сообщения принимающей стороне требуется специальный информационный ключ, который может передаваться только по обыкновенным каналам связи, то есть со скоростью, заведомо не превышающей скорость света. Как бы то ни было, профессор Фархи уверен: при полностью успешной телепортации всех частиц, из которых состоит человеческое тело, и их квантовых состояний, персона, «собранная» в точке B будет иметь абсолютно те же мысли и воспоминания, что и персона, «разобранная» в точке А.
Его коллега Макс Тегмарк указал и на другую возможность мгновенной транспортировки материальных тел во времени и пространстве. Дело в том, что современная физика допускает существование т.н. червоточин («кротовых нор», как их еще называют) — своеобразных туннелей пространства-времени, соединяющих две далеко разведенные локации коротким и, что самое главное, более или менее проходимым каналом.
Расчеты показывают, что при некоторых условиях материальные тела могут проходить сквозь «кротовые норы» практически беспрепятственно, не сталкиваясь с угрожающими деформациями. К сожалению, ОТО накладывает на существование нор весьма существенные ограничения. Во-первых, они должны быть крайне нестабильны: «В любой момент канал может сколлапсировать в черную дыру, поставив путешественника в весьма трудное положение», — поясняет Макс Тегмарк. Во-вторых, в теории для стабилизации червоточин требуются поля с отрицательной плотностью энергии, между тем современной науке подобные поля пока неизвестны.
Результаты.
Возможности, которые открывает квантовая телепортация, поистине удивительны. Это и сверхскоростные компьютеры, и системы мгновенной связи, принципиально не поддающиеся взлому, а также множество чувствительнейших научных инструментов. Кроме того, квантовая телепортация теоретически может быть использована для передачи на расстояние сложных физических тел — ведь любой материальный объект является набором элементарных частиц, каждая из которых обладает определенным набором свойств. Если ученые сумеют телепортировать эти свойства, сами частицы передавать и не нужно — всегда можно использовать те, что имеются под рукой.

ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ
Санькова И.С.-студентка, Старостенков М.Д-д.т.н,
Алтайский государственный университет (г.Барнаул)

Интерметалли́д (интерметаллическое соединение) — химическое соединение из двух или более металлов. Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой твёрдостью и высокой химической стойкостью. Некоторые из них имеют полупроводниковые свойства.
Некоторые из металлов могут реагировать друг с другом очень активно. Например, реакция цинка и никеля при температурах выше 1000 °C носит взрывной характер.
Примеры интерметаллидов
•	Магниевые интерметаллиды: MgZn; MgY; MgTl; AgMg; Mg2Ge; Mg2Sn; Mg3Sb2;
•	Натрий-оловянные интерметаллиды: NaSn3; NaSn2; NaSn; Na4Sn3; Na2Sn; Na4Sn;
•	Другие: GaAs (арсенид галлия); Au4Al; Cu2MnAl; Cu9Al4; NiTe2SmCo5; Fe3Ni; Ni2In; LaNi5; CeMg12; Nb3Sn; Ni3Al; Ni3Nb; Ti3Al; и многие другие.
Интерметаллические соединения
Металлы характеризуются склонностью сплавляться друг с другом, образуя твердые растворы и химические соединения, называемые интерметаллическими, или интерметаллидами.
В противоположность твердым растворам интерметаллиды имеют кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов. Состав интерметаллических соединений не всегда подчиняется правилам валентности, но эти соединения имеют ярко выраженную индивидуальность свойств. Два металла могут образовывать между собой не одно, а несколько соединений, например, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na4Sn3, Na2Sn, Na4Sn и др., существующие лишь в определенных пределах состава и температуры.
Устойчивость интерметаллидов определяется природой взаимодействующих металлов. Чем сильнее отличаются металлы по своей природе и электроотрицательности (ЭО), тем более прочные соединения они образуют, а их образование сопровождается значительным экзотермическим эффектом. Эту закономерность можно наблюдать на примере соединений Mg с металлами II–V групп, в которых резко повышается при переходе от MgZn 
Интерметаллид	
	
MgZn	
MgY	
MgTl	
MgSn	
Mg3Sb2	

	
+10,5	
–10,5	
–50,2	
–76,6	
–232,2	

	
Таблица 1
Интерметаллиды магния 	
Среди соединений различают два типа: валентные и электронные.
Валентные интерметаллиды, как правило, образуют металлы с заметно отличающимися электроотрицательностями. Диаграммы плавкости в этом случае имеют четко выраженный максимум, соответствующий составу интерметаллида. Формула последнего отвечает обычным валентностям элементов (Na2Sn, Na4Sn, Mg2Ge, Mg2Sn, Mg3Sb2, Mg3Al2. Связь в таких соединениях ковалентно-полярная, растет с уменьшением ΔОЭО атомов. При электролизе расплавов валентных интерметаллидов на аноде осаждается более электроотрицательный металл.
Типичные металлы образуют второй тип интерметаллидов – электронные соединения. В них элементы не проявляют своих характерных степеней окисления. Их состав определяется не свойствами взаимодействующих компонентов, а формальной электронной концентрацией (ФЭК), т. е. отношением числа валентных электронов к числу взаимодействующих атомов в формуле. В соответствии со значениями ФЭК (табл. 8.8) большинство известных электронных соединений можно отнести к трем типам со свойственными им кристаллическими решетками. Для первого типа ФЭК равна 3/2, для второго – 21/13, третьего – 7/4.
Формула интерметаллида	Число вал. электронов	Число атомов в формуле	ФЭК	Структура	
AgMg	1 + 2	2	3/2	Кубическая объемноцентрированная	
Cu5Sn	5 + 4	4	3/2		
Na3Sn	3 + 4	4	7/4	Гексагональная	
Ag5Al3	5 + 9	8	7/4		
Cu9Al4	9 + 12	13	21/13	Кубическая особая	
Na31Pb8	31 + 32	39	21/13		
	Таблица 2
Интерметаллиды электронного типа
ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ (от лат. inter - между и металл) (интерметаллич. соединения), хим. соед. двух или неск. металлов между собой. Относятся к металлическим соединениям, или металлидам. Интерметаллиды образуются в результате взаимод. компонентов при сплавлении, конденсации из пара, а также при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии (при химико-термич. обработке), при распаде пересыщенного твердого раствора одного металла в другом, в результате интенсивной пластич. деформации при мех. сплавлении (механоактивации). Для интерметаллидов характерны преимущественно металлический тип химической связи и специфические металлические свойства. Однако среди интерметаллидов имеются также солеобразные соед. с ионной связью (т. наз. валентные соед., образующиеся из элементов разл. хим. природы и представляющие собой стехиометрич. соед.), напр. NaAu, соед. с промежут. характером связи - ионно-металлич. и ковалентно-металлической, а также с ковалентной. Так, в ряду соед. Mg с элементами подгруппы IVa вместе с уменьшением различия в электрохим. характеристиках компонентов наблюдается и изменение св-в интерметаллидов - от характерных для ионных соед. (Mg2Si, Mg2Ge) к св-вам, типичным для металлов (Mg2Pb). В соед. структурного типа NiAs или родственных типов Ni2In, NiTe2 или CdI2, представляющих собой соед. переходных металлов подгрупп VIIб, VIIIб и металлов подгруппы Сu с элементами подгрупп IIIa-VIa (т. наз. никель-арсенидные фазы, или фазы Макарова), сложная природа хим. связи, к-рая изменяется с изменением положения компонентов в периодич. системе; одновременно изменяется и состав интерметаллидов. Для соед. состава АВ характерна ковалентно-металлич. связь; при изменении состава интерметаллидов от АВ2 (напр., NiTe2) до А2В (напр., Ni2In) наблюдается изменение природы связи - от преобладающей ионно-ковалентной до металлической. 
Кристаллическая структура. Классификация интерметаллидов по кристаллич. структурным типам плохо коррелирует с типами хим. связи, т. к. одни и те же структуры может быть у соединениях с различной природой хим. связи. Можно лишь выделить структуры с низкими координац. числами (к. ч.), характерные для интерметаллидов с ковалентной связью. При этом атомы элемента из подгрупп б периодич. системы в структуре типа СаF2 расположены внутри тетраэдра (к. ч. = 4, напр., PtAl2, AuIn2), а в структуре типа NiAs - в центре тригональной призмы (к. ч. = 6). Структуры ионных и металлич. кристаллов можно рассматривать как плотные упаковки сферич. частиц. Благодаря плотной упаковке одни и те же структурные типы характерны для кристаллов с ионным и металлич. типом связи. Главный параметр, определяющий возникновение того или иного структурного типа для ионных и металлич. кристаллов, - отношение соотв. ионных и металлич. радиусов компонентов. Ограничение числа реализующихся структурных типов для интерметаллидов связано с тем, что диапазон изменений металлич. атомных радиусов существенно уже, чем диапазон изменений радиусов катионов и анионов в ионных соединениях. Вместе с тем среди интерметаллидов, как и среди металлов, имеются специфич. кристаллич. структуры. 
К числу наиб. распространенных относятся интерметаллиды, имеющие структуры, близкие к структурам чистых металлов, - плотнейшие кубич. гранецентрированную и гексагональную (к. ч. = 12), а также кубич. объемноцентрированную (к. ч. = 8 + 6, где 8 и 6 - число атомов соотв. в первой и второй координац. сферах). Координац. многогранники для плотнейших упаковок шаров одинакового размера - кубооктаэдр и его гексагон. аналог - характерны для интерметаллидов, компоненты к-рых имеют близкие атомные радиусы. Кроме соед. со структурами типов Сu и Mg к данному классу принадлежат семейства сверхструктур (напр., AuCu, AuCu3, Pt7Cu), а также структурные типы Ni3Sn, TiCu3 и др. К. ч. = 8 + 6 соответствует координац. многогранник в виде куба (8 соседей у центр. атома), атомы второй координац. сферы располагаются в вершинах октаэдра. К этому классу относятся структурные типы -Fe, сверхструктуры на основе решетки типа -Fe (напр., -латунь или CuZn, Fe3Al). 
Известные решетки металлов - гексагональная плотноупакованная и кубич. гранецентрированная - представляют собой двух- (ABA...) и трехслойные (АВСА...) упаковки треугольных сеток 36; в структурах соед. сетки содержат атомы разного сорта с упорядоченным или неупорядоченным расположением, м. б. искаженными и иметь пятиугольные ячейки. Свойства. Физ. и хим. св-ва интерметаллидов в гораздо большей степени, чем кристаллич. структура, зависят от природы хим. связи. Ионные интерметаллиды обладают св-вами, характерными для солей, -высокой т-рой плавления, пониженной (по сравнению с металлической) электрич. проводимостью, наличием на диаграммах состояния узких областей гомогенности и др., многие разлагаются водой. Для интерметаллидов с преобладающей металлич. связью характерны св-ва металлов, прежде всего более или менее значит. способность к пластич. деформации. Все же мн. интерметаллиды отличаются низкой пластичностью и сообщают повыш. хрупкость сплавам, в к-рых они являются одной из структурных составляющих (напр., фаза -FeCr в хромистых сталях) или основой (напр., SmCo5 в сплаве для постоянных магнитов). Применение. Нек-рые интерметаллиды используют как магн. материалы (SmCo5, Fe3Ni, Cu2MnAl и др.), сверхпроводники (Nb3Sn и др.), аккумуляторы Н2 (соед. РЗЭ, РЗЭ и Mg, напр. LaNi5, CeMg12). Интерметаллиды входят в состав высокопрочных конструкц. материалов (напр., обеспечивают высокую прочность в дисперсионно-твердеющих сплавах на основе Al, Cu, Fe и др.), жаропрочных сплавов [напр., '-Ni3 (Al, Ti) в сплавах на основе Ni создает высокодисперсную микроструктуру, сохраняющую высокую прочность в условиях длительной работы при повыш. т-рах]. На основе интерметаллидов созданы защитные покрытия из тугоплавких металлов (Ni3Al, Ni3Nb, Ti3Al и др.). 

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Смоленская В. В. - студент, Старостенков М. Д. - д.ф.-м.н., профессор 
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Современное состояние водородной энергетики в мире, то, что происходит в этой области исследований в России, какие имеются возможности и на что мы можем рассчитывать. 
С 1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз - с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 106 м3 нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники - ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 1012 м3/год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики - поиски путей преодоления экологических проблем. 
Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии и иметь "чистую энергетику". И главная надежда - на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии. Одновременно резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород. Энергию для этого будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники. Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии.
Производство водорода
Один из его источников - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н2. Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем - синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород. 
Способы хранения водорода
Самый эффективный из них - это баллоны. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 13% (масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 9% водорода. Удобно хранить водород в сжиженном состоянии. Хорошие способы его хранения - адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Отмечу, что целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода. 
Выработка электроэнергии с использованием водорода
Топливный элемент - гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор. В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций. 
Первая электрическая энергия была получена с помощью топливного элемента еще в 1839 г. Однако бум вокруг водородной энергетики возник тогда, когда началось освоение космоса. В 60-е годы прошлого века были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт для программ "Джемини" и "Аполлон", в 70-80-е годы - 10-киловаттные топливные элементы для "Шаттла". У нас такие установки разрабатывались для программы "Буран" в НПО "Энергия", которое выступало координатором всей программы, но сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы были построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции. 
Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам - аноду и катоду, продукты (инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления) непрерывно отводятся от них. По типу электролита они классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре - на низко-, средне- и высокотемпературные. Носителями заряда в топливных элементах могут выступать ион кислорода, радикал ОН- или СО3- окислителями могут быть кислород либо воздух .
Топливный элемент - лишь составная часть электрохимического генератора, который содержит еще системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами изменяются от 30% (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60-65% (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами). 
В Японии создана энергетическая установка на топливных элементах мощностью 100 кВт, в Германии - установка мощностью 250 кВт, функционирующая как небольшая автономная электростанция. Фирма "Сименс Вестигхаус" разработала гибридную энергетическую установку на твердооксидных топливных элементах. В ней мощная струя выходящих газов используется для работы газовой турбины, то есть к электрической энергии, вырабатываемой топливными элементами, добавляется электрическая энергия, вырабатываемая турбиной. Крупнейшие автомобильные компании мира ведут разработку электромобилей. В таких городах, как Амстердам, Барселона, Лондон, Гамбург, Мадрид, прошли показательные испытания городских автобусов на топливных элементах. Первая такая демонстрация состоялась в 1993 г., а наибольшее их число пришлось на 1999-2003 гг.: 60 демонстраций 17 компаний, производящих легковые автомобили, и 11 демонстраций 7 компаний, выпускающих автобусы. Компании "Дженерал Моторс" и "Даймлер-Крайслер" намереваются продемонстрировать электромобиль в 2004 г. (водород предполагается получать из бензина), компании "Баллард Пауэр Системе" и "Даймлер-Крайслер" - в 2005 г. 
Водородная энергетика и топливные элементы в России
Надо сказать, что водородной энергетикой у нас занимаются довольно давно, поскольку эти работы имели очень большое значение для автономной энергетики в космосе и подводном флоте. Космос и подводный флот были фактическими источниками средств для развития водородной энергетики. Почти 20 институтов АН СССР, а затем РАН (в Москве, Екатеринбурге и Новосибирске) решали те или иные вопросы водородной энергетики. В последние годы исследования поддерживались в основном за счет совместных контрактов с иностранными компаниями.
Уральский электрохимический комбинат - пионер в создании электрохимических генераторов мощностью в десятки киловатт. В 1971 г. здесь  был разработан электрохимический генератор  "Волна" (мощность 1.2 кВт) на щелочном топлив ном элементе для отечественной лунной про граммы, в 1988 г. - система "Фотон" (мощность 10 кВт) для "Бурана". Комбинат может выпускать такие установки по несколько штук в год. В 1999 г. для космического аппарата "Ямал" были созданы модули из двух никель-водородных  аккумуляторных батарей то есть водород можно использовать не только для топливных элементов, но и для аккумуляторов энергии. 
В нашей стране для автономной энергетики созданы различные установки с электрохимическими генераторами мощностью от 1 до 16 кВт, в том  числе корабельные мощностью 150 кВт и более. 
Литература
1. http://www.bestreferat.ru/referat-5990.htm
2. Г.А. Месяц, M.Д. Прохоров Водородная энергетика и топливные элементы 
СПЛАВЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
Труханович Р.В. – студент
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира, это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям.
Однако, вопреки здравому смыслу есть ряд материалов, металлических сплавов, которые при нагреве, после предварительной деформации, демонстрируют явление возврата к первоначальной форме. То есть эти металлы, не являясь живыми существами, обладают особым свойством, позволяющим им проявлять своеобразную память. 
Материалы с памятью формы (МПФ) были открыты в конце 60-х годов этого века. Уже через 10 лет (конец 70-х - начало 80-х) появляется множество сообщений в научных журналах, описывающих различные возможности их применения. В настоящее время для МПФ определенны функциональные свойства: одно - и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность, высокая заглушающая способность.
МПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности.  Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al. В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.
Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана. 
Никелид титана — это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас.%Ni. Температура плавления 1240—1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.
Другое название этого сплава, принятое за рубежом, — нитинол происходит от аббревиатуры NiTiNOL, где NOL — это сокращенное название Лаборатории морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году. Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма. 
Никелид титана обладает:
1.)	Превосходной коррозионной стойкостью.
2.)	Высокой прочностью.
3.)	Хорошими характеристиками формозапоминания. Высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа.
4.)	Хорошая совместимость с живыми организмами.
5.)	Высокая демпфирующая способность материала.
Недостатки:
1.)	Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать вакуумное оборудование.
2.)	Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием. (Оборотная сторона высокой прочности).
3.)	Высокая цена. В конце XX века он стоил чуть дешевле серебра.
При современном уровне промышленного производства изделия из никелида титана (наряду со сплавами системы Cu-Zn-Al) нашли широкое практическое применение и рыночный сбыт. 
Производство никелида титана
Плавка происходит в вакуумно-гарнисажной печи или в электродуговой печи с расходуемым электродом в защитной атмосфере (гелий или аргон). Шихтой в обоих случаях служит йодидный титан или титановая губка, спрессованная в брикеты, и никель марки Н-0 или Н-1. Для получения равномерного химического состава по сечению и высоте слитка рекомендуется двойной или тройной переплав. При выплавке в дуговой печи рекомендуется сила тока 1,2 кА, напряжение 40 V, давление гелия 53 МПа. Оптимальный режим остывания слитков с целью предотвращения растрескивания — охлаждение с печью (не больше 10˚ в секунду). Удаление поверхностных дефектов — обдирка наждачным кругом. Для более полного выравнивая химического состава по объёму слитка проводят гомогенизацию при температуре 950—1000˚C в инертной атмосфере.
Применение материалов с эффектом памяти формы
1.)	Соединительные втулки из никелида титана. 
Втулка, впервые разработанная и внедренная фирмой «Рейхем Корпорейшен», США, для соединения труб гидравлической системы военных самолетов. В истребителе более 300 тысяч таких соединений, но ни разу не поступило сообщений об их поломках. Эти втулки используются в авиационной, космической и автомобильной технике.
2.)	В медицине.
A.	Перчатки, применяемые в процессе реабилитации и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью. 
B.	Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела. 
C.	Крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях.
D.	Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе
Заключение
Удивительный материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную стоматологию без композитных материалов на основе NiTi (те же скобы, которые вставляют детям для выпрямления зубов). Доставленные на орбиту в «свернутом» виде солнечные батареи разворачиваются сами на несколько десятков квадратных метров и т.д. и т.д.. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.

Литература
1. Лихачев В. А., Кузьмин С. Л., Каменцева З. П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.
2. Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. — 81 с.
3. В. Н. Хачин. Память формы. Серия «Знание», «Физика». М.: Знание: 1984. — 64 с.
4. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. — 224 с.

МАТЕРИАЛЫ РАДИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Щербинин М.А. - студент
Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Ядерная энергетика является одной из самых динамично растущих отраслей мировой экономики. В настоящее время во многих странах разработаны и реализуются проекты интенсивного развития ядерной энергетики. Новые энергоблоки строятся в России, Китае, Индии, США, Канаде, Японии, Иране, Финляндии, и других странах. О своих намерениях развивать атомную энергетику заявили Бразилия, Польша, Вьетнам, Турция, Белоруссия, Марокко и т.д. Практически все материалы, из которых изготавливаются различные конструктивные узлы и рабочие части атомных и термоядерных установок, подвергаются действию радиационных излучений во время их работы. Поскольку длительность работы ядерных реакторов и проектируемых термоядерных аппаратов должна быть не менее 10 лет (иначе они будут экономически невыгодными), то в течение этого же времени должны бесперебойно "работать" и материалы конструкций. Излучения реакторов, воздействуя на материалы, изменяют их структуру, а значит, и их прочностные, электрические и другие свойства. Поэтому проблема выбора или создания новых конструкционных радиационностойких материалов приобретает принципиальное значение в дальнейшем прогрессе человечества в освоении новых источников энергии.
При облучении твердого тела потоками частиц или квантов электромагнитного излучения происходит  образование дефектов внутри материала. Энергия, переданная твёрдому телу (мишени), может при вести к разрыву межатомных связей и смещению атомов с образованием первичного радиационного дефекта типа Френкелевской пары (вакансия и межузельный атом).
Электромагнитное излучение (оптические фотоны, γ-кванты, рентгеновские кванты)непосредственно возбуждает электронную систему кристалла, и лишь на следующем этапе включаются различные механизмы смещения атомов. Это — взаимодействие атомов с электронами, энергия которых достаточна для смещения атома; смещение ионизированного электронным ударом атома из-за электрического отталкивания от одноименного заряженного, близко расположенного примесного иона; смещение соседних, одновременно ионизированных атомов, и др. Возможно также смещение атомов из-за отдачи при фотоядерных реакциях (γ, n).
При нейтронном облучении налетающая частица смещает атом в том случае, если передаёт ему в упругих соударениях (без возбуждения электронной системы энергию, ε, превышающую некоторую пороговую. Типичные значения пороговой энергии составляют 10—80 эВ. Вылет из ядра продуктов ядерных реакций, инициируемых нейтронами, также может вызвать смещение атомов. в результате отдачи. Облучение заряженными частицами (электронами, позитронами, протонами, ионами) сопровождается как неупругой (передача энергии электрона), так и упругой передачей энергии атомам мишени. Соответственно образование радиационных дефектов при таких воздействиях протекает по механизмам, характерным для облучения как нейтронами, так и электромагнитными квантами.Образование радиационных дефектов при передаче энергии электронам возможно главным образом в диэлектриках и полупроводниках. В металлах энергия, «растраченная» радиацией на возбуждение атомарных электронов, преимущественно превращается в тепло, не создавая дефектов структуры.
При ионной имплантации (энергия ионов ~102 кэВ) локализация кластеров (дефектных разупорядоченных областей) в тонких слоях, определяемых пробегом ионов (10-4 см), ведёт к образованию слоев с большей концентрацией дефектов.
Многие свойства кристаллов чувствительны к повреждениям кристаллической решётки. Одиночные дефекты обычно упрочняют металл, но снижают его пластичность. Электросопротивление металлов или сплавов возрастает за счёт образования дефектов, хотя в сплавах возможно уменьшение электросопротивления, если радиационное воздействие приводит к упорядочению структуры. В полупроводниках под действием облучения концентрация точечных дефектов увеличивается, что приводит к изменению электрических и оптических свойств. 
Изменение свойств органических веществ связано с процессами возбуждения и ионизации молекул. При этом образуются неравновесные электроны, ионы, ионные радикалы, молекулы в возбуждённом состоянии. Взаимодействие излучения с органическими веществами сопровождается газовыделением. Радиационная стойкость органических веществ зависит от количества растворённого в них О2 и скорости его поступления из окружающей среды. В присутствии О2 происходит радиационно-химическое окисление вещества. В результате изменяется химическая и термическая стойкость вещества, возрастает его химическая агрессивность по отношению к конструкционным материалам. «Сшивание» и деструкция полимеров — необратимые процессы, которые приводят к наиболее значительным изменениям структуры.
Сопротивление органических изоляционных материалов падает с увеличением мощности дозы на несколько порядков. При больших дозах снижение остаточного электрического сопротивления металлов носит необратимый характер. У многих полимерных материалов, облучённых до доз 106 Гр, исходная электрическая проводимость изменяется в несколько раз (при дозе ~ 104 Гр изменения, как правило, незначительны).
Первые замеченные человеком изменения материалов под действием излучений оказались вредными, поэтому появился термин «радиационные повреждения материалов». Примером таких «повреждений» может служить увеличение объема металлических конструкций под действием нейтронного излучения (например, вблизи от активной зоны реактора), в результате которого происходит упрочнение металла. Однако, при этом происходит охрупчивание материала, что может привести к аварии на АЭС. Приведу другой пример. Вода и водные растворы широко используются в активной зоне ядерных реакторов, бассейнах-хранилищах отработанного ядерного топлива, при переработке отработанного ядерного топлива. При радиолизе воды образуются такие продукты, как водород, кислород и перекись водорода. Образование водорода создает проблему предотвращения возможного взрыва смеси водорода и кислорода. В водной среде в условиях действия радиации ускоряются процессы коррозии конструкционных материалов, что может повлиять на ядерную и радиационную безопасность работы атомных электростанций.
Теперь, однако, возможно с помощью быстрых частиц целенаправленно видоизменять строение материалов с помощью быстрых частиц при определенных условиях, тем самым, управляя их макроскопическими свойствами. Это открывает широкие возможности для применения радиационных технологий при получении, например, кристаллов, а иногда и готовых изделий из них со специальными заданными свойствами. Во многих странах мира разрабатываются и внедряются пучковые технологии модификации поверхностей материалов. Этими технологиями достигается повышение износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности изделий, полировка поверхности, уменьшение коэффициента трения, удаление отработанных покрытий. Интерес к этим технологиям обусловлен тем, что их применение а промышленности вместо традиционных технологий экономит электроэнергию, повышает эффективность производства, уменьшает или исключает экологически вредные последствия производства.
При воздействии мощных импульсных электронных пучков на материал его слой толщиной порядка длины пробега электронов очень быстро нагревается до температуры фазовых переходов. По окончании импульса пучка нагретый слой быстро охлаждается процессом теплопроводности в глубину материала. В результате изменяются свойства поверхностного слоя:• изменяется микроструктура − размер зерна уменьшается от сотен микрон до долей микрона, возможен переход в аморфное состояние;• изменяется фазовый состав, при этом возможно появление метастабильных фаз и соединений, которые при обычных методах термообработки образоваться не могут;• гомогенизируется фазовый состав, например, измельчаются и однородно распределяются карбиды в сталях.
Следствием таких изменений является повышение твёрдости, коррозионной стойкости и износостойкости поверхности материалов, уменьшение коэффициента трения, повышение динамической прочности изделий.
Таким образом, при помощи радиационных технологий можно получать широкий спектр модификаций материалов, годных для применения не только в ядерной энергетике, но и во многих других сферах человеческой деятельности.

Литература

1.	И.Н. Бекман. Радиоактивность и радиация. Москва: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2006.
2.	М.Ф.Ворогушин, В.А.Глухих, Г.Ш.Манукян, Д.А.Карпов, М.П.Свиньин, В.И.Энгелько, Б.П.Яценко, ПУЧКОВЫЕ И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, г. Санкт-Петербург, Россия
КАТАЛИЗАТОРЫ И ИХ РОЛЬ
Элли Г.А. – студент,
Алтайский государственный технический университет (г.Барнаул)
Тот бурный промышленный рост, который мы сейчас переживаем, был бы невозможен без развития новых химических технологий. В значительной мере этот прогресс определяется широким применением катализаторов, с помощью которых низкосортное сырье превращается в высокоценные продукты. Каталитические процессы играют огромную роль в нашей жизни. Образно говоря, катализатор – это философский камень современного алхимика, только он превращает не свинец в золото, а сырье в лекарства, пластмассы, химические реактивы, топливо, удобрения и другие полезные продукты.
Катализа́тор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.
Как правило, катализатор вводится в систему в очень небольших количествах по сравнению с массой реагентов. Тем не менее эффективность действия этих малых добавок необыкновенно высока
Важнейшее свойство катализаторов - селективность, т.е. способность увеличивать скорость лишь определенных химических реакций из многих возможных. Это позволяет осуществлять реакции, протекающие в обычных условиях слишком медленно, чтобы им можно было найти практическое применение, и обеспечивает образование нужных продуктов. 
Катализаторы классифицируют исходя из природы реакции, которую они ускоряют, их химического состава или физических свойств. Каталитическими свойствами обладают в той или иной степени практически все химические элементы и вещества – сами по себе или, чаще, в различных сочетаниях. По своим физическим свойствам катализаторы делятся на гомогенные и гетерогенные. Гетерогенные катализаторы – это твердые вещества, гомогенные диспергированы в той же газовой или жидкой среде, что и реагирующие вещества. 
Необычным свойством многих гетерогенных катализаторов является большая площадь их поверхности. Они пронизаны многочисленными порами, суммарная площадь которых иногда достигает 500 м2 на 1 г катализатора. 
Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, т.е. эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.
 Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Промышленный катализ лежит в основе ~ 70% самых разнообразных химических процессов. Среди недавно введенных в эксплуатацию химических производств эта доля составляет уже ~ 90%. В России с помощью катализа и каталитических технологий формируется около 15% валового национального продукта, в США и других, промышленно развитых странах этот показатель составляет 30-35%. Новые поколения катализаторов и новейшие высокоэффективные технологии на основе каталитических процессов применяются во многих областях промышленности.
К одним из самых актуальных научных проблем современности относится создание наноматериалов и каталитических технологий с их участием. Понимание функционирования материалов и веществ на наноуровне позволяет решать самые разнообразные проблемы: повышать эффективность использования солнечной энергии, улучшать селективность и активность катализаторов, совершенствовать существующие и создавать новые материалы для хранения энергии. На современном этапе развития нанотехнологий важнейшей задачей является создание теоретической и экспериментальной базы в области синтеза и исследования веществ и материалов с заранее заданными свойствами.
Вот лишь некоторые достижения ученых в области катализа.
Ученые из университета Эмори, Атланта, Джорджия, совместно с учеными Парижского института молекулярной химии, разработали новый тип гомогенного катализатора, который, как предполагается, даст зеленый свет производству экологически чистого топлива, водорода, используя при этом только воду и солнечный свет. Благодаря такой технологии автомобили будущего смогут передвигаться, приводимые в движение водой и коллектором солнечного света, расположенным на крыше автомобиля. Разработка этого катализатора, Water Oxidation Catalyst (WOC) проводилась учеными в центре Emory Bio-inspired Renewable Energy Center (EBREC). При разработке катализатора WOC ученые стремились максимально использовать и копировать естественные процессы, такие как фотосинтез. Следующим шагом будет создание на базе нового катализатора WOC в экологически чистой системы получения водорода, использующую солнечную энергию, которая будет разлагать воду на водород и кислород. В дальнейшем водород и кислород будут использованы в качестве топлива для водородных топливных элементов, с помощью которых будет получена энергия для автомобиля. Получившаяся в результате горения водорода вода вновь возвратится в систему, превращая ее, таким образом, в систему с замкнутым циклом.
Одним из наиболее распространенных катализаторов на основе благородных металлов является наноструктурированная платина, используемая, в частности, для создания топливных элементов. Естественно, что при этом размер и структура поверхности наночастиц сильно влияет на их каталитическую активность.
Недавно было показано, что наночастицы платины, сопряженные с наночастицами оксида железа, могут демонстрировать более высокую каталитичекую активность в реакции восстановления кислорода (ORR) по сравнению с чистой платиной. 
Наночастицы Pt были синтезированы восстановлением ацетилацетоната платины (Pt(acac)2) при 200оС в присутствии следовых количеств Fe(CO)5. Затем смесь наночастиц Pt и пентакарбонила железа Fe(CO)5 нагревали при перемешивании до 300оС в октадецене с добавлением олеиновой кислоты и олеиламина, а затем реакционную смесь продували воздухом для окисления железа. Размер полученных наночастиц Pt зависел от температуры, при которой к раствору прибавлялся пентакарбонил железа. Так, при добавлении при 120о, 160о и 180о получались, соответственно, наночастицы размером 7, 5 и 3 нм. Размер наночастиц Fe3O4 зависел от количества добавленного Fe(CO)5.
Данные просвечивающей электронной микроскопии свидетельствуют о срастании наночастиц железа и платины. Изменение электронной структуры полученных "бинарных наночастиц" приводит к значительному повышению каталитической активности наночастиц платины. При этом каталитическая активность полученного катализатора значительно зависит от размера наночастиц оксида железа.
Японские ученые разработали новый наноматериал, который очень эффективно удаляет летучие органические соединения а также оксиды серы и азота из воздуха при комнатной температуре. Как они сообщили, их система включает в себя пористый оксид марганца с частицами золота, выращенными в нем. 
Для того чтобы подтвердить эффективность нового катализатора команда исследователей, возглавляемая Anil K. Sinha из центральной исследовательской лаборатории компании Toyota, провела ряд тестов с гексаном, толуолом и уксусным альдегидом. Все три компонента были эффективно удалены из воздуха и разложены с помощью катализатора – значительно лучше, чем в случае традиционных каталитических систем.
Диоксид титана TiO2 – «умный»", полезный, просто уникальный материал, обладающий удивительными физическими и химическими характеристиками, которые до конца не исследованы до сих пор. Наиболее интересными с точки зрения практического применения диоксида титана являются его сенсорные и каталитические свойства.
Исследования по данной теме активно проводятся в течение последних 10-15 лет. В период с 1993 по 2001 г. было проведено шесть международных конференций, посвященных методу фотокаталитической очистки, на которых приводились примеры его опытно-промышленного применения для очистки воздуха на заводе по производству взрывчатых веществ, в цехах предприятий микроэлектроники, в салонах самолетов фирмы «Боинг», в жилых городских помещениях и тоннелях, в больницах для подавления патогенной микрофлоры в воздухе, при лечении аллергических заболеваний и астмы, в фармацевтических производствах, а также при уничтожении боевых отравляющих веществ. Фотокатализаторы на диоснове оксида титана также могут применяться для создания самоочищающихся покрытий.
Диоксид титана прозрачен для видимого света, поэтому тонкие пленки из TiO2, нанесенные на стекло, будут незаметны для глаза. А само стекло, покрытое пленкой TiO2, под действием солнечного света способно очищаться от органических загрязнений. Кроме того, стекло, покрытое пленкой TiO2, не будет запотевать. Запотевание обычно связано с плохой смачиваемостью поверхности стекла, на которой образуются мелкие капли воды, рассевающие свет. Если же покрыть поверхность стекла тонкой пленкой оксида титана, то органические загрязнения, адсорбированные на поверхности стекла, будут окисляться под действием света, и поэтому роса, осевшая на такое стекло, не собирается в капли, а будет растекаться по поверхности, а затем просто испаряться. Кроме того, оксид титана с нанесенными на него наночастицами золота можно использовать в качестве катализатора, окисляющего угарный газ из выхлопов автомобилей, в шахтах, в противогазах - и все это происходит уже при комнатной температуре!
В общем, новые концепции катализа позволят получать новые материалы и другие продукты, обладающие многими ценными свойствами, усовершенствовать методы получения энергии, увеличить производство пищевых продуктов, улучшить экологическую обстановку во всем мире.
Литература
1. Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 335, 337. 
2. Имянитов Н. С. Системы из нескольких катализаторов в металлокомплексном катализе. // Координационная химия. 1984. — Т. 10. — № 11 — С. 1443 — 1454.
3. Temkin O.N., Braylovskiy S. M. / The mechanism of catalysis in homogeneous polyfunctional catalytic systems. // Fundamental Research in Homogeneous Catalysis. — Ed. by A.E. Shilov. — New York etc: Gordon and Breach Science Publishers, 1986. — Vol. Two. — P.621- 633.
4. Кубасов А. А. Химическая кинетика и катализ.
5. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 510 с.
6. Дьячков П.Н. //Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. М.: БИНОМ. 2006.С. 5, 120–121.
7.Егорова Е.М. Наночастицы металлов в растворах: биохимический синтез и применение // Нанотехника 2004, № 1, 15

ИЗМЕРЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ РАЗМЕРНОСТИ ОБЛАКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ MODIS/TERRA
Якунин М.А. – студент, Лагутин А.А. – д.ф.-м.н.
Алтайский государственный университет (г. Барнаул)
В настоящее время описание турбулентных процессов, происходящих в атмосфере, вышло на качественно новый уровень и требует применения количественных оценок многих параметров. Облака и облачные массивы изучаются как посредством наземных, так и спутниковых наблюдений [1]. Методы спутникового мониторинга атмосферы отличаются синхронностью и однородностью получаемых данных, а также возможностью покрытия больших территорий. Для непрерывного мониторинга процессов, происходящих в атмосфере, перспективно использовать спутниковые системы на базе приборов дистанционного зондирования. Такие оперативные приборы обладают высоким быстродействием в сочетании с надежностью и возможностью получать необходимую информацию об исследуемом объекте с минимальным потоком данных, поступающих на наземную станцию обработки. Такими приборами являются многоканальные спектрорадиометры, осуществляющие регистрацию спектра одновременно во многих спектральных каналах. В частности, к ним относится спектрорадиометр MODIS полярно-орбитального солнечно-синхронного спутника Terra. Он позволяет решать широкий круг задач, связанных с глобальными исследованиями характеристик системы «атмосфера + Земля» из космоса. Одной из таких задач является задача измерения фрактальной размерности границ облаков.
Фракталы предоставляют компактный способ описания геометрии самых разнообразных объектов. Фрактальная размерность облачных поверхностей и зон дождя представляет интерес для целого ряда физических задач, включая такие, как изучение турбулентных потоков в атмосфере планеты и исследование распространения радиоволн сквозь облака и дождевые зоны [2, 3, 4].
В данной работе рассматривается вопрос определения фрактальной размерности границ облачных массивов по данным, получаемым спектрорадиометром MODIS, поступающим на Землю в режиме прямого вещания, где они распаковываются и преобразуются в данные формата HDF (Hierarchical Data Format). Сканировалась земная поверхность площадью в несколько миллионов км2 с разрешением в 1 км. Непосредственно работа велась с маской облачности – продукт обработанных данных MOD35_L2. Этот продукт содержит информацию о геодезической привязке к местности скана поверхности, о положении спутника и Солнца, о времени прохождения спутника и начале сканирования, непосредственно маску облачности, матрицу с коэффициентами качества скана и некоторую другую информацию. Маска облачности представляет из себя закодированную в двоичном виде информацию об облачных поверхностях снимка. Всего в маске закодировано 6 байт, значимыми из которых для данной работы являлись только первые три бита первого байта маски. Это флаг маски облачности (была ли она определена для конкретного пикселя или нет) и флаг наличия облака в данном пикселе. Два бита этого флага имели следующий смысл – при значении 00 считалось, что в пикселе находится облако, 01 – было сложно определить, есть ли облако в пикселе, но, скорее всего, он облачный, значение 10 значило, что облака в пикселе, скорее всего, нет и значение 11 соответствовало безоблачному пикселю. Эти два бита позволяли решить задачу об определении границы облаков с достаточно высокой точностью. Остальная информация, хранящаяся в маске облачности, такая как характеристики подстилающей поверхности, тесты на наличие высоких облаков, температуры, времени суток (день или ночь), в данной работе не использовалась. Для преобразования данных к рабочему виду использовалась программа HDFView, позволяющая экспортировать данные из HDF в текстовый файл. После этого он обрабатывался в программе, отсеивающей из него лишнюю информацию, оставляя лишь значения первых трех битов (о качестве облачности и определенности маски). Конечный файл был уже готов к обработке в программе для расчета фрактальной размерности облаков, которая могла быть написана на любом языке программирования (в данной работе для этого использовался FORTRAN-95) с использованием любого подхода к определению размерности.
После обработки ряда сканированных и подготовленных изображений были получены следующие значения: для облачных поверхностей, границы которых были заданы значениями только 00, величина размерности составила 1.34 ± 0.01; для облаков с границами, заданными значениями 00 и 01, размерность составила 1.29 ± 0.02. Эти результаты хорошо согласуются с результатами исследований, приведенными, например, в [2].
Литература

1. Сушкевич, Т. А. О решении задач атмосферной коррекции спутниковой информации // Иссл. Земли из космоса. - 1999.
2. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. – М.: Институт компьютерных исследований – 2002.
3. Lovejoy S. Area-perimeter relation for rain and clouds areas // Science. – 1982. – 216
4. Hentshel H. G. E., Procaccia I. Relative diffusion in turbulent media: The fractal dimension of clouds // Phys. Rev. – 1984.