CC BY
46
УДК 530(091); 378.14
М. Ф. Каримов (к.ф.-м.н., проф., зав. каф.)
Новые термины химического материаловедения и их значение для развития науки и образования
Бирская государственная социально-педагогическая академия кафедра общетехнических дисциплин 452453, Башкортостан, г. Бирск, ул. Интернациональная 10; телефакс (3414) 26455,
e-mail: karimov [email protected]
M. F. Karimov
New terms of chemical material science and their importance for a science and education development
Birsk State Socially-Pedagogical Academy
10, Internatsyonalnaya Str, 452453, Birsk, Russia; ph./fax (3414) 26455, e-mail: karimov [email protected]
Описано возникновение и развитие ряда терминов химического материаловедения конца XX и начала XXI вв. Рассмотрено современное содержание и объем таких научных терминов, как «спиновое стекло», «аморфный магнитный материал», «аморфная ферримагнитная пленка», «компенсационный состав» и «фуллерен». Оценено значение выделенных новых терминов материаловедения для развития неорганической и органической химии. Выделены дидактические возможности изучения представленных новых терминов химического материаловедения с нанотехнологиями с целью совершенствования подготовки старшеклассников и студентов в области системно-структурно-функциональной, статистической и синергетической методологии познания и преобразования действительности в рамках создания и развития единой и целостной духовной культуры человечества.
Ключевые слова: аморфный магнетик; дидактика средней и высшей школы; компенсационный состав; нанотехнологии; научный термин; спиновое стекло; ферримагнитная пленка; фул-лерены; химическое материаловедение.
Термином, происходящим от латинского terminus — предел или граница, является слово или словосочетание, представляющее название понятия — модели объекта, процесса или явления природной, технической или социальной действительности.
Научные термины, представляющие основную форму существования системы научных понятий — моделей фрагментов действительности, в которой фиксируются результаты познавательной и преобразовательной деятельности человеческого общества на данном
Дата поступления 09.02.10
The occurrence and development of chemical material science terms in the end of XX — the beginning of XXI century is described. The modern content of the next scientific terms as «spin glass», «amorphous magnetic material», «amorphous ferrimagnetic film», «equalizing composition», «fullerene» is adduced. The maintenance of the new terms for organic and inorganic chemistry development is appreciated. The didactic possibilities for study the new terms of chemical material science with nanotechnologies with the aim to improve training of students in the sphere of system-structural-functional, statistic and synergetic educational methodology and reconstruction of reality in the frame of development of the whole human spiritual culture are emphasized.
Key words: amorphous magnetic material; didactic of higher and secondary school; equalizing composition; nanotechnologies; scientific term; spin glass; ferrimagnetic film; fullerene; chemical material science.
историческом этапе его развития, возникают и совершенствуются в ходе научно-технического прогресса.
Химическое материаловедение как интегрированная теоретическая и прикладная наука, изучающая процессы получения неорганических и органических веществ и исследующая физико-химические свойства синтезированных материалов, является дисциплиной, постоянно развивающей свою терминологическую систему в течение последних двух веков.
На рубеже XX и XXI вв. химическое материаловедение включило в свою терминологическую систему такие понятия — модели, как
«спиновое стекло», «аморфный магнитный материал», «аморфная ферримагнитная пленка», «компенсационный состав» и «фуллерен».
Рассмотрим генезис, развитие и использование указанных выше научных терминов химического материаловедения.
Спиновое стекло — это бинарный металлический сплав или твердый раствор, содержащий магнитные ионы в немагнитной матрице, в котором ориентация магнитных моментов атомов не имеет никакой пространственной периодичности.
Научный термин «спиновое стекло» возник в 1972 г. после основополагающей работы В. Канеллы (р.1946) и Дж. А. Мидоша (р.1938) 1, в которой были изложены результаты наблюдения состояния спинового стекла в разбавленном сплаве железа в золоте, имеющем беспорядочную «замороженную» ориентацию элементарных магнитных моментов атомов железа при температурах ниже определенной температуры замерзания Tf ( от английского freezing — замерзание).
Лауреат Нобелевской премии по физике 2003 г. А. А. Абрикосов (р.1928) в 1979 г. предложил модель спинового стекла на полупроводниковой основе 2.
Одним из конкретных примеров использования модели спин-стекольного состояния вещества в современной химии является представление газогидратного каркаса водных систем как фрустрированной псевдоспиновой трехмерной экспоненциально-неупорядоченной системы с сильно вырожденным основным
3
состоянием 3.
До середины 1970-х гг. во всех научных монографиях и классических учебниках по химии и физике твердого тела утверждалась необходимость наличия порядка кристаллической решетки для проявления сильномагнитных свойств вещества 4.
Начало преодоления познавательного барьера, связанного с тем, что трансляционная симметрия кристаллической решетки является необходимым условием существования магнитоупорядоченного состояния вещества, принадлежит отечественному ученому А. И. Губанову (1910—1987), впервые теоретически показавшему в 1960 г. возможность синтеза аморфных магнетиков благодаря квантовым обменным силам между электронами соседних атомов, имеющими изотропный характер 5.
Аморфный магнитный материал — это вещество, обладающее неравновесной разупоря-доченной атомной структурой, но имеющее
ферромагнитный, ферримагнитный или анти-ферромагнитный тип упорядочения между магнитными атомами.
В 1973 г. научными сотрудниками известной компьютерной фирмы 1ВМ были получены методом катодного напыления аморфные магнитные материалы на основе сплавов редкоземельных и переходных металлов с цилиндрическими магнитными доменами, которые могли найти применение в устройствах записи, хранения и считывания информации 6.
В Проблемной лаборатории магнитных материалов Уральского государственного университета во второй половине 1970-х гг. под руководством заслуженного деятеля науки Российской Федерации, доктора физико-математических наук, проф. Г. С. Кандауровой (р.1929) начали получать с помощью радиочастотного катодного напыления аморфные фер-римагнитные пленки, содержащие редко-земельный и переходный металлы с перпендикулярной магнитной анизотропией, пригодные для записи двоичной информации на магнит-
7
ных доменах 7.
Аморфная ферримагнитная пленка — это магнитный материал со стохастическим расположением атомов, синтезированный из атомов редкоземельного и переходного металлов, магнитные моменты которых пространственно ориентированы противоположно.
Компенсационный состав — это долевое соотношение атомов редкоземельного и переходного металлов с антипараллельными магнитными моментами, при котором достигается нулевая намагниченность аморфного магнитного материала.
Исследования физико-химических свойств аморфных ферримагнитных пленок вышеупомянутого состава, проведенные в последней четверти 20-го века, позволили установить нижеследующие положения, закономерности и приложения.
1. Несовпадение магнитооптических петель гистерезиса, снятых с двух сторон образца в магнитном поле, направленном перпендикулярно поверхности аморфной пленки гадолиний — кобальт, полученной высокочастотным напылением на охлаждаемую водой стеклянную подложку, является следствием изменения намагниченности насыщения по толщине пленки, обусловленного градиентом химического состава образца, изготовленного по стандартной технологии *.
2. Зависимость намагниченности насыщения, коэрцитивной силы, ширины доменов,
характеристической длины и энергии доменных границ аморфных пленок «редкая земля — переходный металл», полученных ионноплазменным напылением мозаичной мишени на охлаждаемые водой стеклянные подложки, от химического состава носит немонотонный характер, принимая минимальное или максимальное значения в окрестностях компенсационного состава образца 9.
3. После воздействия сильным внешним магнитным полем, ориентированным под различными углами к оси легкого намагничивания аморфных пленок состава гадолиний — кобальт с перпендикулярной магнитной анизотропией, изготовленных радиочастотным распылением, можно последовательно получить систему лабиринтарных, полосовых и цилиндрических магнитных доменов, имеющих различные приложения в магнитной микроэлектронике 10.
4. Определены технологические и физические условия образования представляющих прикладной интерес для магнитной микроэлектроники несквозных цилиндрических магнитных доменов, стабильных в отсутствие внешнего магнитного поля, в сильно неоднородных аморфных пленках состава «редкая земля — переходный металл», полученных методом ионно-плазменного напыления мозаичной мишени на водоохлаждаемые стеклянные
11
подложки ".
5. Изобретено устройство для измерения температуры с высокой точностью 0.00001 К, содержащее термочувствительный элемент, выполненный в виде ферримагнитной металлической аморфной пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией и градиентом температуры магнитной компенсации, нанесенной на металлическую подложку — посто-
”12 ^ янный магнит .
Развитие химического материаловедения привело к открытию в 1985 г. будущими лауреатами Нобелевской премии 1996 года по химии Х. В. Крото (р. 1940), Дж. Р. Хизом (р.1962), Ш. К. О‘Брайеном (р.1961), Р. Ф. Кер-лом (р.1933) и Р. Э. Смолли (1943—2005) новой аллотропной формы существования углерода в природе — фуллеренов, получаемых при испарении графита в инертной атмосфере 13.
Новая аллотропная молекулярная форма взаимосвязанных атомов углерода была названа в честь известного американского архитектора и изобретателя Р. Б. Фуллера (1885— 1983), чей легкий и прочный «геодезический купол» — пространственная стальная сетчатая
оболочка из прямых стержней, представляющая собой полусферу, собранную из тетраэдров 14.
Фуллерены — это множество уникальных молекул, состоящих только из взаимосвязанных атомов углерода, структура которых образована из близкого по форме к вытянутому в разной степени шару геометрического каркаса из двенадцати пятиугольников и нескольких шестиугольников.
Открытие фуллеренов ускорило процесс синтеза и исследования углеродных нанотрубок С. Ииджимой (р.1939) 15 в 1991 г.
В настоящее время фуллерены и углеродные нанотрубки нанометровых размеров с участием в их составе отдельных атомов и молекул являются основой для создания, исследования и применения новых материалов с заданными рекордными физическими, химическими и биологическими свойствами 16.
Положительное влияние возникновения и совершенствования новых научных терминов химического материаловедения на рубеже 20-го и 21-го вв. в области нанотехнологий на развитие дидактики средней общеобразовательной и высшей профессиональной школы заключено в нижеследующем.
1. Обогащение содержания лекционных, практических и лабораторных занятий по естественно-математическим дисциплинам новыми терминами и связанными с ними понятиями химического материаловедения в области нанотехнологий способствует повышению познавательного интереса старшеклассников и студентов к изучению современных достижений науки и ориентирует их на исследование
свойств фуллеренов, спиновых стекол и аморф-
17
ных магнетиков 1.
2. Проектирование и реализация научноисследовательской деятельности студентов высших учебных заведений посредством постановки и решения актуальных задач химического материаловедения с нанотехнологиями приводит к установлению новых закономерностей в поведении объектов микромира 18.
3. Участие старшеклассников и студентов в процессе расширения объема и углубления содержания новых терминов химического материаловедения в области нанотехнологий, осуществляемом на научных семинарах и конференциях по естественно-математическим дисциплинам, ускоряет переход из сферы учебного в сферу научного познания объектов, процессов и явлений реальности в интеллектуально-информационном пространстве 19.
4. Регулярное использование новых терминов химического материаловедения в процессе обучения концепциям современного естествознания позволяет повысить уровень освоения системно-структурно-функциональной, статистической и синергетической методологии познания и преобразования действительности в системе непрерывного образования 20.
5. Новые термины химического материаловедения, выделяющие имена известных творческих личностей в названиях уникальных химических соединений, расширяют возможности создания и изучения единой и целостной духовной культуры человечества в процессе творческой деятельности и на учебных и внеаудиторных занятиях обучающихся в системе непрерывного образования подрастающе-
21
го поколения 21.
Анализ и обобщение приведенного выше краткого материала относительно новых терминов химического материаловедения и их значения для развития науки и образования приводят к нижеследующим выводам:
1. Новые термины химического материаловедения, возникшие и развиваемые на рубеже XX и XXI вв. в области нанотехнологий, ориентирующие теоретическую и прикладную деятельность настоящих и будущих исследователей и преобразователей природной и технической действительности, выделяют наиболее значительные достижения современной неорганической и органической химии.
2. Рекордные в качественном и количественном отношениях физические, химические и биологические свойства объектов химического материаловедения с нанотехнологиями, отраженные в соответствующих новых научных терминах, определяют перспективу развития теоретических, экспериментальных и прикладных исследований физики, химии и биологии XXI в.
3. Системно-структурно-функциональная, статистическая и синергетическая методология познания и преобразования действительности в рамках создания и освоения единой и целостной духовной культуры человечества приобретает дидактическую эффективность при включении в содержание обучения подрастающего поколения новых терминов химического материаловедения с нанотехнологиями.
Литература
1. Canella V., Mydosh J. // Physical Reviews. B. —
1972.- V. VI, №11.- P. 4220.
2. Абрикосов А. А. // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической физики.- 1979.— Т.29, №12.- С. 769.
3. Киров М. В. // Журнал структурной химии. -2001.- Т.42, № 5.- С. 958.
4. Кринчик Г. С. Физика магнитных явлений:
Учебное пособие для физических специальностей вузов.- М.: Изд-во МГУ, 1976.- 3б7 с.
5. Губанов А. И. // Физика твердого тела.-
1960.- Т.2, № 3.- С. 502.
6. Chaudhari P., Cuomo J. J., Gambino R. J. // IBM Journal of Research and Developments. -
1973.- Vol. 17.- P. 66.
7. Каримов М. Ф., Васьковский В. О., Кандауро-
ва Г. С. // Тезисы докладов I-го Всесоюзного
семинара по аморфному магнетизму.- Красноярск: ИФ СО АН СССР, 1978.- С. 73.
8. Кандаурова Г. С., Васьковский В. О., Каримов М. Ф. // Физика металлов и металловедение. — 1981.- Т. 51, №1.- С. 81.
9. Кандаурова Г. С., Каримов М. Ф., Васьковский В. О. // Физика твердого тела.- 1981.-Т. 23., №3.- С.720.
10. Каримов М. Ф., Кандаурова Г. С. // Физика металлов и металловедение.- 1981.- Т. 51, №3.- С. 663.
11. Кандаурова Г. С., Каримов М. Ф. // Журнал технической физики.- 1982.- Т.52, №7.-С. 1428.
12. Каримов М. Ф., Кандаурова Г. С. //Б. И.-1982.- № 4.- С. 167.
13. Kroto H. W., Heath J. R., O‘Brien S. C., Curl R. F., Smalley R. E. // Nature.- 1985.- V. 318.-№6042.- P. 162.
14. Fuller R. B. Inventions: the patented works of R.Buckminster Fuller.- New York: St.Martin‘s Press, 1983.- 316 p.
15. Iijima S. // Nature. - 1991.- Vol. 354.- P. 56.
16. Караулова Е. Н., Багрий Е. Н. // Успехи химии.- 1999.- Т.68, № 11.- С. 979.
17. Алимов В. Ю., Васьковский В. О., Кандауро-ва Г. С., Каримов М. Ф. // Межвузовский сборник научных трудов «Физика металлов и их соединений».- Свердловск: Изд-во УрГУ, 1979.- С. 63.
18. Иванов В. Е., Кандаурова Г. С., Каримов М. Ф., Свалов А. В. // Физика металлов и металловедение.- 1995.- Т. 79, № 3.- С. 59.
19. Каримов М. Ф. // История науки и техники.-2007.- № 12. Спец. вып. № 3.- С. 111.
20. Каримов М. Ф. // Баш. хим. ж.- 2007.- Т.14, № 2.- С. 59.
21. Каримов М. Ф. Подготовка будущих учителей-исследователей в информационном обществе: Монография.- Челябинск: Изд-во ЧГПУ «Факел», 2002. - 612 с.
