Реальная идеальность

Эдуард Каган

Март 2011, Израиль

edkagan1@gmail.com

                                                   

 

Эпиграф-прогноз: « ...прозрачная голубая полоска на столе работает будильником, она же показывает расписание на день, в машине развертывается в экран навигатора, на работе превращается  в ноутбук, а вчером на ней можно смотреть кино...»

 

Авторы этого прогноза об универсальном гаджете будущего  ученые из Южнокорейсеого университета Сонгюнгван убеждены, что он будет создан в ближайшие 10 лет, благодаря потрясающим свойства удивительного материала ГРАФЕН.      Но   прежде чем описывать замечательные свойства этого материала, небольшой экскурс в сущность Идеальности.

Достижение высоких степеней идеальности обеспечивается , как известно, по мере приближения   развивающейся  технической системы к реализации основного принципа абсолютной идеальности: « СИСТЕМЫ НЕТ, А ЕЕ ФУНКЦИЯ ВЫПОЛНЯЕТСЯ», что означает максимальную пользу при отсутствии затрат! На этом пути наблюдается интересная закономерность: имеет место постепенное  сокращение затрат за счет свертывания подсистем, составляющих собственно систему, но с сохранением их способностей. В конце концов, все способности (функции) системы реализуются одной подситемоой.  Так, например,  техническая система СПОСОБ (технология, процесс) в процессе развития и совершенствования, после свертывания составляющих ее подсистем  наступает момент когда способ перестает быть процессом, организованном  во времени, а все операции, входящие в программу способа, переходят к одной подсистеме, выполняются одним УСТРОЙСТВОМ и практически без затрат времени. Практическим примером такого перехода является технология штамповки, когда Устройство – штамп мгновенным ударом по листовому материалу изготавливает с требуемой точностью изделие сложной геометрии.  Способ по определению своей системной сущности (процесс) исчезает, теряя системообразующие компоненты,  а всю программу процесса выполняет иная система – УСТРОЙСТВО. Такое устройство - воплощение идеальности способа, т.е. получение полезного результата без процесса- способа и практически мгновенное получение результата.

Похожая закономерность проявляется и в достижении высоких степеней идеальности в процессе развития технических систем типа УСТРОЙСТВО.  По мере рвзвития имеет место свертывание его отдельных подсистем – вещественных компонентов, конструктивно объединенных в единое целое и связанных энергией основного потока, но без потери функций присущих всей системе, за счет преобразования подсистем . Далее наступает момент в развитии, когда необходимый набор функций, присущий изначально этому устройству,  реализуется одним вещественным компонентом. Практических примеров таких переходов в технике немало . В частности, например Пьезотрансформатор, представляющий собой пластину – параллелепипед из пьезокерамики с напыленными электродами.  При подаче на вход такого трансформатора переменного напряжения в пьезопластине возбуждаются механические колебания(обратный пьезоэффект), охватывающие всю пластину.  В выходной части пьезопластины, с продольной поляризацией вектора электрического поля, эти колебания возбуждают разность потенциалов (прямой пьзоэффект) с  повышением напряжения относительно входа с тысячекратным  коэфициентом усиления (см.рис 1). Устройство по определению своей системной сущности исчезает и замещается одним веществом со способностями технической системы устройства. Такое вещество - идеал устройства.

Рис 1


Переходя к ВЕЩЕСТВУ, следует отметить его главные качества это - обладание набором свойств, которые являются источниками функций, используемых в устройствах. Причем, чем больше функций за счет своих свойств способно реализовать одно вещество, тем большей степенью идеальности оно обладает. При этом само вещество должно занимать как можно меньшее пространство и иметь как можно меньшую массу. В идеале : вещества нет, а свойства есть. И чем большей степенью приближения к идеальности обладает вещество, тем потрясающе высока эффективность и универсальность его использования.  Ярким примером такого уровня идеальности обладает недавно синтезированный материал ГРАФЕН.

За основополагающие исследования свойств этого ДВУМЕРНОГО материала была назначена Нобелевская премия по физике за 2010 год. Лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов выходцы из России, ныне работающие в университете Манчестера. (см. Рис. 2)

Рис 2

Теория твердого тела давно предсказывала что физические свойства изолированных двумерных слоев  углеродных или иных атомов должны быть весьма и весьма своеобразны. Такие слои называются двумерными , т.е. не имеющими толщины, потому-что понятие «толщина» к одноатомному слою, не имеющему соседей ни сверху ни снизу,  фактически не имеющего третьего измерения явно не применимо. Причина этого своеобразия в том, что атомы в двумерной решетке образуют уникальную систему энергетических уровней, такую что электроны в них ведут себя как лишенные массы заряды – нечто вроде заряженных фотонов, которые, как известно, не имеют массы покоя  (фотон – квант света,  блестящий пример идеального природного вещества: массы нет, а вещество есть! ).  В отличие от фотонов электроны в графене конечно имеют массу и заряд, но движутся так будто массы нет.  Движение таких «безмассовых» микрочастиц подчиняется законам релятивистской электродинамики, т.е. учитывающими теорию относительности Эйнштейна. И в графене были обнаружены весьма удивительные свойства.  ( см. Рис.3). Графен самый тонкий из всех материалов, толщина отдельного листа составляет 0,15 нанометра.Это самый прочный материал, самый эластичный... . И у него есть еще десяток свойств, к которым применимо слово «самый». Доказательные исследования сверхпрочности графена провели ученые и Колумбийского университета ( США), которые выяснили, что чтобы порвать пленку графена толщиной 0,01 мм, понадобится... слон! При этом его вес должен уместиться на площади равной кончику карандаша. Лихорадочное возбуждение умов  графен вызывает у физиков- экспериментаторов своими парадоксальными электрическими, механическими, оптическими и прочими свойствами вроде высокой проводимости в сочетании с высокой прозрачностью (поглощает всего 2% падающего света), его огромной, в 200 раз больше стали, прочностью в сочетании с необыкновенной способностью изгибаться. Прозрачность графена в сочетании с высокой проводимостью, гибкостью и прочностью открывает путь к его широкому применению в качестве сенсорных экранов, которые нужны повсюду, от домашних телевизоров и до лэптонов и «айпадов» фирмы «Аррle». Не менее важное применение графен может найти в фотоячейках, напрямую превращающих солнечную энергию в электрическую.  Графеновая пленка не пропускает ни один газ, кроме атомарного водорода. Ее легко свернуть, сделать мешок и наполнить газом, как воздушный шар. Использовать многослойные графеновые пленки с ячейками можно в качестве безопасного хранилища водородного топлива.

 

                

           Рис 3                                                              Рис 4

Графен «охотно» вступает в химические реакции с другими веществами, что позволяет менять его свойства в широком диапазоне. Так было осушествлено превращение графена – проводника в изолятор, присоединив к каждому атому его структуры по атому водорода. Такой материал, назвали его ГРАФАН ( см. Рис 4), обладает той же кристаллической решеткой, лишь с меньшим размером ячеек. А при отжиге (+300 градусов) графан теряет водород и переходит в графен, т.е. изолятор превращается в проводник. Имеется таким образом возможность тонкой настройки электронных свойств, которая открывает перспективу производства любых электронных компонентов и устройств из единого и реально унивесального материала. Для водородной энергетики первостепенную роль играет высвобождение атомарного водорода при нагреве графана. А способность хранить  топливо в связанном состоянии весьма перспективна. Эффект идеальности на лицо: хранилища как такового нет, а топливо надежно хранится! С появлением графана открылась возможность для создания печатных плат наноэлектронных схем непосредственно на листе нового материала с формированием электроконтактных площадок путем испарения водорода отжигом в требуемых учасках с помощью лазера. Для сравнения, традиционная технология  изготовления контактных площадок на фольгированном медью пластике выглядит так: последовательно выполняются  операции  нанесение фоторезиста, воспроизвение рисунка схемы (фотопечать), травление ненужных участков фольги и др. Лазер-же превращает графан-изолятор в графен-проводник только в заданных точках платы из графана и  мгновенно,  т. е. отпадает последовательность традиционных  технологических операций, характеризующая СПОСОБ, который замещается выстрелом лазера – идеальным воплощением этого способа. Но все это благодаря универсальным свойствам графена.

Еще 5 лет назад были получены кусочки графена размером в несколько микрон. За 5 лет площадь получаемых графеновых пленок выросла в триллион раз и есть свидетельство о том что Южнокорейским ученым  под руководством Джонг Хиюн Ана удалось создать листы графена размером 76 см по диагонали.  Не за горами тот день когда из графена возможно будет создать тент над футбольным стадионом. Зав.лаб института физики полупроводников СО РАН В.И. Принц рассчитал что такой тент будет весить меньше одного грамма(!). Получается  идеальная крыша: материала практически нет, весит 1 грамм, а огромная крыша есть, в прочности которой не может быть сомнений!  И, если для футбольного стадиона такая крыша не очень-то актуальна, футбол не прерывается от дождя, то для большого тенниса такая крыша – мечта.

И еще одна, совсем уж неожиданная область применения графена – это биология. Китайские исследователи обнаружили, что графеновые пленки обладают бактерицидными свойствами, так что можно будет применять их в качестве непроницаемой для бактерий упаковки лекарств и продуктов, продукты могут сохраняться свежими несколько недель, а так называемая «графеновая бумага» может использоваться для изготовления эффективных перевязочных материалов.

В заключение хочу отметить, во всем что касается  графена, назвать какое-то сообщение последней новостью было бы опрометчиво, С момента открытия графена группой Гейма – Новоселова в 2004 году исследования этого материала расширяются  стремительно и новые сообщения появляются чуть ли не каждую неделю.

 

  Использованные источники информации:

1.      Материалы русскоязычной прессы в Израиле. Приложение к газете «Вести».

2.      Сообщения о графене в интернете.

3.      Статья Кагана Э.Л. « Система качественных показателей для оценки достижений идеальности ТС», в материалах старого сайта Metodolog.ru, в рубрике “Теория».   http://www.metodolog.ru/00093/00093.html

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: Реальная идеальность

Честно говоря, статья оставила у меня двойственное впечатление. С одной стороны - автор вполне доходчивым (во всяком случае, на мой несколько "профдеформированный" взгляд) языком объяснил народу, что такое графен и "с чем его едят", привязав заодно к одному из основополагающих тризовских понятий - идеальности. Это, конечно, здорово. Но, с другой стороны, хотелось бы все же не просто восхвалений самого графена и представлений о той самой идеальности, сколько применения этого понятия и других законов развития технических систем для того, чтобы попытаться понять, где мы находимся и куда путь держим. Другими словами, спрогнозировать дальнейшее развитие ситуации. Ведь ситуация в самом деле чрезвычайно интересная, согласитесь, и где, как не здесь, в этой чрезвычайно быстро развивающейся отрасли, можно попробовать использовать ЗРТС для прогнозирования на практике, а не только в теории?

Честно скажу: графенами я раньше не интересовался. Но, исходя из общих представлений о развитии техники (тех самых ЗРТС) и общих представлений об эволюции разнообразных материалов (графен ведь не первый и не последний материал, изобретенный человечеством), могу предположить следующий общий сценарий развития.

Когда первая волна научного интереса (типа той, что была недавно, например, с так называемой "высокотемпературной сверхпроводимостью") схлынет, выяснится - как обычно в подобных случаях выясняется - что новый чудо-материал вовсе не настолько чудесен, как это казалось его первооткрывателям. И камнем преткновения окажется как раз то самое, за что этот материал еще совсем недавно боготворили: отсутствие толщины. Ведь отсутствие свойства означает и отсутствие возможности управления им, а управляемость технической системы в ходе эволюции должна, как мы знаем, расти, а не уменьшаться. И в самом деле, какой бы высокой ни была прочность чудо-материала, а если число слоев удвоить, то прочность, по всей вероятности, вырастет тоже примерно вдвое (ведь у этого материала не будет или почти не будет ни поликристаллов, ни дефектов решетки, которые и снижают прочность той же стали), в то время как светопрозрачность упадет всего-то на два процента - с 98 до 96%. Цифры, конечно, могут быть чуть другими, но это вряд ли изменит общую тенденцию: уж слишком много преимуществ у многослойного материала перед однослойным - будь то многослойная стальная броня, многослойное стекло или многослойное полимерное покрытие.

Соответственно, усилия ученых будут (или уже? - не знаю) направлены на получение "графена с толщиной": вначале двухслойного, затем трехслойного, а затем и "сколько-угодно-слойного" - по хорошо известному тренду "моно-би-поли". Причем, в отличие от обычных материалов, число слоев здесь будет точно "считанным", то есть - известным с точностью до атома. А сам материал тем самым обретет "новое старое" измерение - опять же, в соответствии с хорошо известным из ЗРТС трендом перехода в новое измерение.

Чтобы получить этот "многослойный графен" ("полиграфен"?), потребуется, естественно, скачок технологии, несопоставимый по масштабу с открытием самого графена. И этот материал, вкупе с новыми технологиями его производства, могут произвести настоящий переворот в развитии техники - подобно тому, какой переворот в развитии компьютерной техники сделало появление первого чипа. Во всяком случае, огромный рынок такому материалу, похоже, будет гарантирован.

Но и это будет далеко не всё. Ведь, как мы знаем, после перехода в новое измерение обычно следует переход на микроуровень. Можно, конечно, спросить: какой еще "микроуровень" может быть у графена - вещества, структура которого известна с точностью до атома? А вот какой. Как это бывает с материалами (стеклом, бетоном, металлами, полимерами и т.д.), скорее всего, первые "полиграфены" не будут отличаться особым разнообразием: структура всех слоев будет либо идентичной, либо очень похожей, либо однозначно определяемой структурой первого слоя. А общая тенденция эволюции материалов такова, что многослойный материалы тяготеют к некоему предзаданному различию характеристик слоев: так, например, многослойная броня вначале состояла просто из многих слоев железа, прикрепленных к корпусу болтами, затем стала железно-стальной, а затем в ней появились вставки из различных материалов. Точно так же развивалась и сама броневая сталь: вначале ее структура была сплошной, затем - менялась в одном направлении (закаленная сталь), а затем появилась и микроструктура (крупповская броня), сделавшая этот материал таким, каким мы знаем его сейчас. Так, видимо, будет и с графеном: после того, как человечество научится управлять числом слоев, появится возможность управлять и расположением атомов внутри каждого слоя - что произведет очередную революцию в технике и закончится выдачей очередной порции Нобелевских и прочих премий.

Но это будет тоже не все. Ведь, как мы знаем, вслед за развертыванием (усложнением) системы следует свертывание (упрощение). И в самом деле, если мы сможем управлять атомной структурой как в пределах слоя, так и в разных слоях, то, по существу, это будет означать, что мы можем управлять атомной структурой материала во всем его объеме. А зачем тогда делить материал на слои? Материал "трехмерной атомной сборки" - и вот он, собственной персоной, материал будущего, о котором все так долго мечтали, не так ли?

Но... это будет тоже еще не все. В самом деле, зачем нам управлять положением каждого атома? Ведь в действительности в большинстве случаев, скорее всего, вполне хватит и того, чтобы добиваться точного расположения вполне конкретных атомов - тех 20%, от которых (по "закону Парето") и зависят на 80% нужные свойства вещества (а может быть, пропорция будет и еще меньше: скажем, не 20:80, а 5:95). Процесс свертывания продолжится, технология упростится, материал удешевится - и получите-распишитесь "универсального солдата", в смысле - универсальную технологию синтеза любых (ну, или почти любых) материалов.

Но... да-да, это будет еще тоже не всё! Ведь, вспомним, идеальная система - это та, которой нет, а не "почти нет", - а ее функции при этом выполняются. Так что в конце концов мы должны прийти к некоему "материалу без материала". Что это будет за чудо такое - сейчас, разумеется, сказать трудно. Например, это может быть материал, синтезируемый непосредственно на месте по мере надобности из "ресурсных" материалов (вода, воздух и т.д.), а после использования - превращающийся обратно в исходные материалы. Естественно, вполне возможно, что на самом деле "материал без материала" будет и другим, - настолько далеко в будущее с помощью ЗРТС заглянуть, по-моему, все же довольно трудно. А вот что конечный итог будет, так или иначе, именно таким - это, вроде бы, вполне очевидно из понятия "идеальной системы", давно известного в ТРИЗ.

Разумеется, любой прогноз может быть неточным или даже неверным. Я никоим образом не претендую на "абсолютную истину", а просто высказал свой взгляд на проблему, исходя из известных в ТРИЗ законов развития технических систем. Возможно, что и ошибся при этом, - как знать? Но именно такого плана статьи (по возможности, проработанные несколько глубже на основе анализа конкретной информации об описываемом объекте) - а не только констатационно-восхвалительные - мне хотелось бы видеть на этом сайте.

Ни в коей мере не отношу это как претензию в адрес автора, который, повторяю, очень коротко и доходчиво рассказал об одном из "последних писков" науки и техники. Вышесказанное - всего лишь мое пожелание на будущее. А за статью автору в любом случае спасибо.

С уважением,

Александр Привень.

Re: Реальная идеальность

Получил сегодня комментарий Эдуарда Львовича на отзыв Александра Ильича.
Размещаю его ниже.

Замечания по поводу комментария А. Привеня на мою статью
«Реальная идеальность»
Сразу отмечу главное в Комментарии. А. Привеню явно не понравилось основное качество Графена – отсутствие толщины. Как он утверждает: «...отсутствие свойства означает и отсутствие возможности управления им, а управляемость в развивающейся Технической системе должна расти в соответствии с ЗРТС, а не уменьшаться». Далее идет ошибочное рассуждение о том, что один слой это плохо, а если число слоев удвоить, то прочность тоже удвоится и, дескать у многослойного материала слишком много преимуществ перед однослойным. «Бедный, бедный» Графен, куда он лезет?
Я не зря отметил, что толщина – это отнюдь не свойство а геометрический параметр (качество), который может быть связан с проявлением каких-то свойств. Но в том- то и уникальность Графена, что его нельзя представлять однослойным материалом в обычном макроскопическом понимании, а именно такова трактовка А. Привеня. Графен, рожденный из многослойной структуры графита (углерода) – двумерный материал без толщины породил целый набор уникальных свойств и нелепо утверждать о потере свойства. Многослойный графит ничем уникаальным себя не проявил. Именно получение материала без толщины обеспечило и повышение управляемости свойствами, благодаря достижению высочайшего уровня идеальности (см. Об этом в статье), т.е. все в духе ЗРТС. И потому лишены оснований прогнозы А. Привеня о многослойном графене – «полиграфене», куда, якобы будут направлены усилия ученых. Между прочим, «полиграфен» давно известен – это и есть тот самый графит, увы, значительно уступающий по свойствам графену...
Как было отмечено в статье, Теория твердого тела, объясняющая свойства вещества на основе квантовых законов и поведение составляющих его микрочастиц, давно предсказала весьма и весьма своеобразные физические свойства изолированных двумерных слоев углеродных (графен) или ИНЫХ АТОМОВ. Из источника использованного при написании статьи известно, что сейчас уже выделены в свободном виде двумерные слои НИТРИДА БОРА, некоторых сложных окислов, слюды и т.д. Иными словами имеет место перспектиное направление развития двумерных материалов. Вот туда и направлены усилия ученых.
Э. Каган

Re: Реальная идеальность

Спасибо уважаемому Эдуарду Львовичу за комментарий.

Никоим образом не собираюсь обсуждать личные пристрастия, типа "понравилось - не понравилось". Отмечу только, что, по-моему, автор ответил не мне, а кому-то другому. Например, я написал:

Quote:
<о графене> ...у графена - вещества, структура которого известна с точностью до атома...

Quote:
<о предполагаемом "полиграфене"> ...Причем, в отличие от обычных материалов, число слоев здесь будет точно "считанным", то есть - известным с точностью до атома...

А многоуважаемый Эдуард Львович пишет мне в ответ:

Quote:
Между прочим, «полиграфен» давно известен – это и есть тот самый графит, увы, значительно уступающий по свойствам графену...
Но в том- то и уникальность Графена, что его нельзя представлять однослойным материалом в обычном макроскопическом понимании, а именно такова трактовка А. Привеня.

Как-то, по правде говоря, я не слышал пока что о том, чтобы у обычного графита научились регулировать структуру и число слоев с точностью до атома. Быть может, я просто слишком невежествен (допускаю и такой вариант), но все же могу предположить и то, что "обычный графит" с точно регулируемой атомной структурой (задаваемой заранее и произвольно, с точностью до расположения каждого конкретного атома, в том числе и атомов примесей) пока еще не создан. Если же точная "по-атомная" сборка обычных материалов, в том числе и графита, уже давным-давно реальность, и при синтезе материала можно по заранее заданному плану вставлять конкретные атомы в конкретные места структуры с точностью до ангстрема, - буду очень признателен за ссылку на доступный источник, в котором описывается такой материал и его свойства. Полагаю все же, что свойства такого материала будут несколько отличаться от свойств обычного графита.

С уважением,

Александр.

P.S. А как уважаемый автор прокомментирует вот это:

<a href="http://science.compulenta.ru/530662/ wrote:
">http://science.compulenta.ru/530662/]
Многослойный графен сохраняет отличные теплоотводящие свойства

13 мая 2010 года, 00:17

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) выполнила измерения коэффициента теплопроводности подвешенного графена, в которых материал продемонстрировал не слишком сильное снижение показателей при увеличении числа слоёв атомов углерода. <...>

Нашел в Гугле по ключевым словам "многослойный графен". Там и другие ссылки есть, которые, как мне кажется, вполне подтверждают мои слова:

Quote:
...усилия ученых будут (или уже? - не знаю) направлены на получение "графена с толщиной"...

Как я указал в исходном комментарии, и как я почти всегда делаю, оговариваюсь:

Quote:
Разумеется, любой прогноз может быть неточным или даже неверным. Я никоим образом не претендую на "абсолютную истину", а просто высказал свой взгляд на проблему, исходя из известных в ТРИЗ законов развития технических систем. Возможно, что и ошибся при этом, - как знать?

Но хотелось бы понять, в чем именно я ошибся.

Еще раз заранее благодарен Эдуарду Львовичу за комментарий по существу вопроса. Мнение специалиста на этот счет было бы знать очень интересно.

Re: Реальная идеальность

PPS. Из свеженького:

http://www.membrana.ru/particle/16061
Новая графеновая бумага оказалась прочнее стали
Исследователи в Австралии создали бумагу из множества слоёв графена. Она показала удивительные механические свойства, сохраняя хорошую гибкость и высокую упругость.

Специалисты из технологического университета Сиднея (UTS) использовали комбинацию химической и тепловой обработки, чтобы аккуратно отделить от графита одноатомные слои, очистить их и выложить как бутерброд в идеально выровненную структуру из гексагональных решёток атомов углерода — графеновую бумагу (graphene paper — GP).

Как рассказывает PhysOrg.com, плотность GP — в пять-шесть раз ниже, чем у стали.

При этом испытания показали, что новый материал в два раза твёрже и в десять раз прочнее при растяжении нежели углеродистая сталь. А модуль упругости при изгибе оказался выше в 13 раз.

Исследователи полагают, что графеновая бумага окажется великолепным конструкционным материалом, востребованным в авиационной и автомобильной отраслях, да ещё — дружественным природе и экономически оправданным.

Subscribe to Comments for "Реальная идеальность"