Устройство для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов
Изобретение относится к учебным наглядным пособиям и к научным приборам, предназначенным для визуализации пространственного строения углеродных нанотрубок и наноконусов. Устройство для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов, содержит прозрачную пластину и элементы, имитирующие атомы углерода. Согласно изобретению указанная прозрачная пластина изготовлена из гибкого материала с возможностью свертывания ее в трубку или конус, а элементами, имитирующими атомы углерода, являются выполненные в указанной пластине круглые отверстия одинакового диаметра, причем указанные отверстия образуют множество параллельных рядов, сгруппированных в пары таким образом, что в каждой паре рядов центры любых двух соседних отверстий одного ряда и ближайших к ним отверстий другого ряда находятся в вершинах прямоугольника, диагональ последнего в два раза превышает расстояние между центрами ближайших друг к другу отверстий разных рядов одной и той же пары, а центры отверстий соседних друг с другом рядов разных пар находятся на прямых, расстояние между которыми равно четверти длины упомянутой диагонали, центры отверстий любого ряда расположены относительно центров отверстий ближайшего к нему ряда соседней пары со сдвигом вдоль линии ряда на расстояние, равное половине расстояния между центрами соседних отверстий одного и того же ряда, кроме того, указанное устройство снабжено, по меньшей мере, двумя съемными фиксаторами для сохранения формы поверхности, которая образуется при свертывании указанной пластины в трубку или конус с наложением друг на друга разных частей этой пластины до достижения совмещения указанных круглых отверстий, расположенных в этих налагаемых друг на друга разных частях указанной пластины и получения периодического двумерного рисунка, образуемого совмещенными отверстиями на цилиндрической или конической поверхности, при этом, по меньшей мере, один из указанных съемных фиксаторов содержит элемент для введения в два из указанных совпавших отверстий пластины с образованием оси для обеспечения возможности взаимной прокрутки вокруг нее совмещенных частей указанной пластины после установки этого съемного фиксатора и до установки следующего. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении большей простоты изготовления и использования устройства, а также в обеспечении его универсальности при моделировании как углеродных нанотрубок, так и углеродных наноконусов, и легкой трансформируемости при изменении параметров моделируемых углеродных наноструктур. 14 з.п. ф-лы, 21 ил.
Изобретение относится к учебным наглядным пособиям, предназначенным для демонстрационных целей, а также к научным приборам, предназначенным для визуализации пространственного строения или структуры кристаллических веществ, а именно к устройству для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов.
Принципиально моделирование углеродных нанотрубок и наноконусов может быть осуществлено с помощью любых известных устройств для моделирования кристаллических структур, в частности, описанных в патентах: Великобритании №1144851, опубл. 12.03.1969 [1]; Японии №2642910 [2] (опубл. 20.08.1997); США №4014110 (опубл. 29.03.1977) [3]. Устройства по этим патентам являются так называемыми моделями "открытого" типа (подразделение моделей на два типа - "закрытые" и "открытые" - произведено в работе: Deane К. Smith. Bibliography on Molecular and Crystal Structure Models. U.S. department of commerce. National bureau of standards. National Bureau of Standards Monograph 14. Issued May 20, 1960 [4]). В моделях "открытого" типа, к которым относятся модели [1-3], элементы, имитирующие атомы или ионы, образующие кристалл, имеют такие размеры и размещены на таких расстояниях друг от друга, которые позволяют свободно наблюдать их относительное расположение и измерять расстояния между ними и углы между линиями, их соединяющими. Это обстоятельство является важным преимуществом моделей "открытого" типа.
Общей особенностью моделей данного типа является необходимость использования элементов, имитирующих атомы, и средств, обеспечивающих пространственную фиксацию этих элементов, с соблюдением их требуемого взаимного расположения. Это обусловливает конструктивную сложность таких моделей, с которой связаны и трудности технологического характера при их изготовлении.
Более удобны в этом отношении модель по патенту РФ на изобретение №2494466 (опубл. 27.09.2013) [5] и основанные на том же принципе модели по патенту РФ на изобретение №2494467 (опубл. 29.09.2013) [6] и патентам РФ на полезные модели №119504 (опубл. 20.08.2012) [7] и №119505 (опубл. 20.08.2012) [8]. В устройствах по этим патентам для размещения элементов, имитирующих атомы, используются прозрачные пластины. В патентах [5]-[8] описано применение устройств, имеющих такую конструкцию, в том числе и для моделирования углеродных нанотрубок. Элементы, имитирующие атомы, в частности атомы углерода в модели углеродной наноструктуры, в виде шариков или пары шаровых сегментов, размещены на нескольких параллельных плоских прозрачных пластинах, имитирующих плоскости, в которых расположены центры атомов моделируемой наноструктуры. Подобные устройства применимы и для моделирования углеродных наноконусов.
Такие устройства более технологичны и вместе с тем более наглядны, чем модели [1-3], и допускают несложную сборку и разборку непосредственно лицами, их использующими. Однако и эти устройства при моделировании с их помощью углеродных нанотрубок оказываются недостаточно удобными. Представляет практический интерес быстрое получение модели, наглядно отображающей последствия изменения параметров нанотрубки. Однако изменение параметров моделируемой нанотрубки при использовании подхода по патентам [5-8] требует изготовления нового набора пластин и разделительных элементов, позволяющих расположить эти пластины относительно друг друга требуемым образом, причем даже проектирование таких пластин и элементов при сохранении используемого в патентах [5-8] принципа оказывается нетривиальной задачей. С еще большими трудностями может быть связано моделирование углеродных наноконусов.
Техническое решение, использующее принцип моделирования по патенту РФ [5], наиболее близко к изобретению, предназначенному для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении большей простоты изготовления и использования устройства, а также в обеспечении его универсальности при моделировании как углеродных нанотрубок, так и углеродных наноконусов, и легкой трансформируемости при изменении параметров моделируемых углеродных нанотрубок и наноконусов. Ниже при раскрытии сущности изобретения и рассмотрении частных случаев и примеров конкретного выполнения и использования устройства могут быть названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемое устройство для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов, как и наиболее близкое к нему известное, содержит прозрачную пластину и элементы, имитирующее атомы углерода.
Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от наиболее близкого к нему известного, указанная прозрачная пластина выполнена из гибкого материала с возможностью свертывания ее в трубку или конус, а элементами, имитирующими атомы углерода, являются выполненные в указанной пластине круглые отверстия одинакового диаметра. При этом указанные отверстия образуют множество параллельных рядов, сгруппированных в пары таким образом, что в каждой паре рядов центры любых двух соседних отверстий одного ряда и ближайших к ним отверстий другого ряда находятся в вершинах прямоугольника. Диагональ последнего в два раза превышает расстояние между центрами ближайших друг к другу отверстий разных рядов одной и той же пары, а центры отверстий соседних друг с другом рядов разных пар находятся на прямых, расстояние между которыми равно четверти длины упомянутой диагонали. Центры отверстий любого ряда расположены относительно центров отверстий ближайшего к нему ряда соседней пары со сдвигом вдоль линии ряда на расстояние, равное половине расстояния между центрами соседних отверстий одного и того же ряда. Помимо указанной пластины, изготовленной из гибкого материала, предлагаемое устройство содержит, по меньшей мере, два съемных фиксатора для сохранения формы поверхности, которая образуется при свертывании указанной пластины в трубку или конус с наложением друг на друга разных частей этой пластины до достижения совмещения указанных круглых отверстий, расположенных в этих налагаемых друг на друга разных частях указанной пластины, и получения периодического двумерного рисунка, образуемого совмещенными отверстиями на цилиндрической или конической поверхности. По меньшей мере, один из указанных съемных фиксаторов содержит элемент для введения в два из указанных совпавших отверстий пластины с образованием оси для обеспечения возможности взаимной прокрутки вокруг нее совмещенных частей указанной пластины после установки этого съемного фиксатора и до установки следующего.
Моделирование углеродной нанотрубки или углеродного наноконуса с помощью предлагаемого устройства осуществляется путем свертывания указанной прозрачной пластины, выполненной из гибкого материала, в трубку или конус до достижения совпадения двух пар отверстий, принадлежащих наложенным друг на друга частям пластины, с последующим закреплением ее в нужном состоянии с помощью съемных фиксаторов (выбор этих пар отверстий, зависящий от параметров моделируемых углеродной нанотрубки или углеродного наноконуса, будет описан ниже).
Сначала свертывание осуществляют до достижения совпадения отверстий первой их упомянутых пар и устанавливают фиксатор, имеющий элемент для введения в два совпавших отверстия. Этим достигается невозможность взаимного поступательного перемещения наложенных друг на друга частей гибкой прозрачной пластины в сочетании с возможностью взаимной прокрутки частей пластины вокруг оси, образуемой упомянутым элементом. Затем осуществляют указанную прокрутку до достижения совпадения отверстий второй пары и устанавливают второй фиксатор. В частном случае он может быть таким же, как первый, и его устанавливают в этой второй паре отверстий. При ином выполнении второго фиксатора, когда он не имеет элемента для введения в совпадающие отверстия (например, он может быть выполнен в виде пружинного зажима, обеспечивающего взаимную неподвижность наложенных одна на другую частей пластины), его устанавливают таким образом, чтобы совпадение отверстий второй пары было сохранено. Двух фиксаторов достаточно для сохранения требуемой цилиндрической или конической формы пластины, но в зависимости от предпочтений пользователя могут быть применены и фиксаторы в количестве более двух.
Как видно из изложенного, устройство не содержит специальных объемных элементов, имитирующих атомы углерода. В этом нет необходимости, поскольку все атомы являются атомами одного и того же элемента и поэтому отсутствует необходимость в их дифференциации, а круглые отверстия в свернутой пластине, состояние которой зафиксировано, могут имитировать не только места расположения атомов, но и сами атомы. Благодаря этому достигается дополнительное упрощение как конструкции и технологии изготовления устройства, так и его использования: нет необходимости не только изготавливать, но и устанавливать на пластине объемные элементы, имитирующие атомы. Более того, отсутствие таких элементов в модели, полученной после свертывания пластины, улучшает условия ее осмотра в любом ракурсе, не затрудняя осмотр объемными элементами, имитирующими атомы.
Один и тот же экземпляр устройства позволяет осуществлять моделирование нанотрубки или наноконуса с самыми различными параметрами и производить простое трансформирование модели при переходе от одних параметров к другим. Свертывание пластины в трубку или конус и дальнейшие действия для получения модели с нужными параметрами легко осуществляется после несложного обучения любым лицом, владеющим знаниями о геометрическом смысле параметров углеродной нанотрубки или наноконуса.
Съемный фиксатор в простейшем случае может содержать указанный элемент для введения в два совпадающих отверстия пластины, выполненный в виде стержня с винтовой канавкой. Этот стержень может быть снабжен головкой или буртиком, что делает пользование фиксатором более удобным.
В другом частном случае съемный фиксатор содержит два прижима, предназначенных для размещения на противоположных сторонах совмещенных частей указанной пластины в месте расположения двух совпавших отверстий и выполненных с возможностью взаимного магнитного притяжения и механического контакта друг с другом посредством имеющегося, по меньшей мере, у одного прижима выступа, являющегося упомянутым выше элементом для введения в два из совпавших отверстий пластины.
Каждый из двух прижимов съемного фиксатора может быть выполнен в виде цилиндра или шарового сегмента, а указанный выступ, который имеет, по меньшей мере, один из прижимов, расположен со стороны плоского основания этих цилиндра или шарового сегмента.
В частном случае указанные цилиндр или шаровой сегмент выполнены из немагнитного материала. При этом каждый прижим снабжен указанным выступом, образованным цилиндрическим постоянным магнитом, установленным (например, на клею) на плоском основании цилиндра или шарового сегмента, причем магниты обоих прижимов имеют направления намагничивания, при которых возможна встречная взаимная ориентация их противоположных полюсов при размещении прижимов на гибкой прозрачной пластине.
В другом частном случае один из указанных цилиндров или шаровых сегментов выполнен из немагнитного материала и имеет выступ, образованный постоянным магнитом, установленным на плоском основании этого цилиндра или шарового сегмента, а другой цилиндр или шаровой сегмент выполнен из магнитно-мягкого материала и не имеет выступа. Упомянутый магнит предпочтительно имеет цилиндрическую форму.
Еще в одном частном случае каждый из прижимов съемного фиксатора выполнен в виде постоянного магнита или из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита. При этом магниты обоих прижимов имеют направления намагничивания, обеспечивающие возможность встречной взаимной ориентации их противоположных полюсов при размещении прижимов на указанной пластине. Предпочтительной формой вставки является цилиндрическая.
Возможно и такое выполнение съемного фиксатора, при котором один из прижимов выполнен в виде постоянного магнита или из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита, а другой прижим выполнен либо целиком из магнитно-мягкого материала либо из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита. В этом случае в прижиме, содержащем вставку, указанный выступ может быть образован частью вставки, которая предпочтительно имеет форму цилиндра.
Некоторые из описанных выше случаев допускают, в частности, выполнение съемного фиксатора, при котором он содержит монолитные прижимы с выступами. При этом оба прижима или только один из них являются магнитами. В последнем случае второй прижим выполнен целиком из магнитно-мягкого материала.
Описанные формы выполнения съемных фиксаторов, не охватывающие многих других возможных частных случаев, обеспечивают свободу выбора, которым располагает и может воспользоваться изготовитель, в зависимости от собственных предпочтений и технологических возможностей.
Для дополнительного упрощения пользования устройством при свертывании пластины при получении моделей наноконусов и нанотрубок с заданными индексами хиральности на указанной прозрачной пластине могут быть выполнены риски, соответствующие осям прямолинейной косоугольной системы координат. При этом одна из осей системы координат направлена вдоль прямой, на которой расположены центры круглых отверстий левого ряда одной из указанных пар рядов указанных отверстий, а другая проходит через центр одного из таких отверстий и центр ближайшего находящегося справа и выше отверстия более близкого ряда соседней пары.
Еще большее упрощение пользования устройством может быть достигнуто, если вдоль указанных осей и параллельных им осей возле круглых отверстий, имеющих целочисленные значения координат центров в указанной прямолинейной косоугольной системе, расположить нестирающиеся надписи значений указанных координат. При этом единичному значению длины в указанной системе координат соответствует расстояние между центрами ближайших друг к другу круглых отверстий одного и того же ряда.
При изготовлении прозрачной пластины это расстояние в целях повышения наглядности получаемых моделей может быть выбрано, например, таким, что при выражении его в сантиметрах оно численно равно расстоянию между атомами углерода, выраженному в ангстремах. При этом одновременное использование нескольких одинаковых экземпляров устройства позволяет визуально сравнивать структуру и соотношение размеров, расстояний и углов в нескольких смоделированных углеродных нанотрубках или наноконусах, имеющих разные параметры.
Изобретение иллюстрируется чертежами и фотографиями, на которых представлены:
- на фиг. 1 - изображение фрагмента прозрачной выполненной из гибкого материала пластины с круглыми отверстиями в исходном плоском состоянии;
- на фиг. 2 - иллюстрация определения совмещаемых отверстий прозрачной выполненной из гибкого материала пластины для получения моделей нанотрубки или наноконуса;
- на фиг. 3 - иллюстрация определения совмещаемых отверстий при свертывании прозрачной выполненной из гибкого материала пластины для получения модели нанотрубки с индексами хиральности (5,0);
- на фиг. 4 - иллюстрация совмещаемых отверстий при свертывании прозрачной выполненной из гибкого материала пластины для получения модели наноконуса с углом развертки ϕ=120°, что соответствует углу при вершине наноконуса α=38,9°;
- на фиг. 5 и 6 - фотографии моделей нанотрубки с индексами хиральности (5,0) и наноконуса с углом развертки (ϕ=120°), полученных с использованием операций, иллюстрируемых соответственно фиг. 3 и 4;
- на фиг. 7А, Б - примеры выполнения съемного фиксатора, содержащего прижимы с выступами, образуемыми прикрепленными магнитами;
- на фиг. 8А-З - примеры выполнения съемного фиксатора, содержащего прижимы с выступами, образуемыми вставками в виде магнитов или из магнитно-мягкого материала;
- на фиг. 9А, Б - примеры выполнения съемного фиксатора, содержащего монолитные прижимы с выступами;
- на фиг. 10 - пример выполнения съемного фиксатора, содержащего элемент для введения в два совпадающих отверстия пластины в виде стержня с винтовой канавкой;
- на фиг. 11 - схематическое изображение (вид с торца) свернутой в трубку прозрачной выполненной из гибкого материала пластины с установленным на ней съемным фиксатором;
- на фиг. 12 - изображение предлагаемого устройства в исходном состоянии.
В предлагаемом устройстве для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов по фиг. 1 прозрачная выполненная из гибкого материала пластина 50 имеет круглые отверстия одинакового диаметра, имитирующие как места расположения атомов углерода, так и сами атомы.
В исходном состоянии, предшествующем получению модели углеродной нанотрубки или углеродного наноконуса с помощью предлагаемого устройства, указанная пластина имеет плоскую форму. В дальнейшем тексте настоящего описания эта пластина может называться гибкой прозрачной пластиной, а также в зависимости от контекста гибкой пластиной, прозрачной пластиной или просто пластиной. Для различения обозначений, используемых только в данном описании, и обозначений, которые могут присутствовать на реальной пластине, последние на фиг. 1-4 представлены жирным курсивом, а первые - обычным прямым шрифтом.
Круглые отверстия пластины 50 образуют множество параллельных рядов, сгруппированных в пары (на фиг. 1 шесть таких пар обозначены А, Б, В, Г, Д, Е). Расположение круглых отверстий таково, что в каждой паре рядов центры любых двух соседних круглых отверстий одного ряда и ближайших к ним круглых отверстий другого ряда находятся в вершинах прямоугольника, диагональ которого в два раза превышает расстояние между ближайшими друг к другу круглыми отверстиями разных рядов одной и той же пары. Примерами таких прямоугольников являются прямоугольники 1 и 2 соответственно для пар А и Б рядов. Упомянутые диагональ прямоугольника 1 и расстояние между ближайшими друг к другу круглыми отверстиями разных рядов пары А, которой принадлежит прямоугольник 1, обозначены соответственно D и L. Центры круглых отверстий соседних друг с другом рядов разных пар находятся на прямых, расстояние между которыми равно четверти длины диагонали D указанного прямоугольника. На фиг. 1 таким расстоянием является расстояние S между прямыми 3 и 4, на которых лежат соответственно центры круглых отверстий правого ряда пары А и левого ряда пары Б. С учетом сказанного S=D/4=L/2. Очевидно, что при сформулированных условиях расстояния между центрами любых двух соседних круглых отверстий в любом ряду любой пары одинаковы. При этом центры круглых отверстий любого ряда расположены относительно центров круглых отверстий ближайшего к нему ряда соседней пары со сдвигом вдоль линии ряда на расстояние, равное половине расстояния между центрами соседних круглых отверстий одного и того же ряда. Так, например, расстояние по вертикали между центрами ближайших друг к другу круглых отверстий правого ряда пары А и левого ряда пары Б, показанное на фиг. 1 как расстояние по вертикали между верхними сторонами прямоугольников 1 и 2, равно h=Н/2, где Н - показанная на фиг. 1 высота прямоугольника 1, одинаковая для него и прямоугольника 2, а также всех других аналогичных прямоугольников, не показанных на чертеже. В итоге после изготовления пластины в соответствии с приведенным описанием можно заметить, что она выложена правильными образующими периодический рисунок шестиугольниками с длиной стороны L, в вершинах которых расположены центры круглых отверстий. При этом оказывается, что расстояние между центрами любых двух ближайших друг к другу круглых отверстий равно L.
При свертывании гибкой пластины 50 в трубку или конус она должна быть закреплена в достигнутом положении с помощью съемных фиксаторов. Фиксаторы устанавливают на пластину после ее свертывания таким образом, чтобы были сохранены в совмещенном положении хотя бы по два отверстия, принадлежащих двум частям пластины, накладываемым друг на друга при свертывании. Конструкция съемных фиксаторов и выбор отверстий, в которые они должны быть установлены, будут описаны ниже.
Пластина с описанным выполнением в ней круглых отверстий в исходном плоском состоянии может рассматриваться как модель графена.
На пластине могут быть выполнены риски, аналогичные показанным на фиг. 1 рискам 5 и 6. Они соответствуют осям прямолинейной косоугольной системы координат; одна из осей направлена вдоль прямой, на которой расположены центры круглых отверстий левого ряда одной (любой) из указанных пар рядов, а другая проходит через центр одного из таких отверстий и центр ближайшего находящегося справа и выше отверстия более близкого ряда соседней пары. Непосредственно на первой оси расположены центры круглых отверстий, обозначенных 0,0; 0,1; 0,2; 0,3, а на второй оси - центры круглых отверстий, обозначенных 0,0; 1,0; 2,0; 3,0. Такие же обозначения могут быть нанесены на самой пластине. Для обеспечения удобства пользования устройством целесообразно снабдить обозначениями и другие круглые отверстия. На фиг. 1 в качестве примера показаны такие обозначения для группы других круглых отверстий. Нетрудно видеть, что все они являются значениями пары координат этих круглых отверстий в упомянутой выше прямолинейной косоугольной системе, обозначенной рисками 5 и 6, причем для всех показанных на фиг. 1 круглых отверстий с обозначениями координат эти координаты имеют целочисленные значения, соответствующие выбору в качестве единицы длины расстояния L между центрами любых ближайших друг к другу круглых отверстий. Использование значений координат центров круглых отверстий при свертывании гибкой пластины для получения модели углеродной нанотрубки или углеродного наноконуса будет описано ниже.
Вследствие того, что двумерная кристаллическая структура графена имеет центральную симметрию шестого порядка, ряды круглых отверстий, описанные выше, помимо того, что они располагаются параллельно, располагаются также и центрально-симметрично, через угол 60° на шести лучах, выходящих из каждого центра симметрии двумерного кристалла. Так, на фиг. 2 показаны три из шести лучей, выходящих из центра симметрии О: OU, OV и OW, а три других, не показанных на чертеже, соответственно симметричны этим относительно точки О.
При свертывании пластины 50 для получения модели нанотрубки хиральности (m,n) или наноконуса нужно совместить отверстие в пластине с координатами (0,0) с другим отверстием, имеющим целочисленные положительные координаты (m,n) в косоугольной системе координат. При этом, чтобы образовался цилиндр или конус, нижняя поверхность гибкой пластины 50 в окрестности отверстия (0,0) должна быть совмещена с верхней ее поверхностью в окрестности отверстия (m,n).
Далее, при свертывании пластины 50 для получения модели углеродной нанотрубки отверстия, расположенные на одном из лучей, проходящих через центр отверстия (0,0), нужно совместить с отверстиями, расположенными на другом луче, параллельном этому, но проходящем уже через центр отверстия (m,n). Так, на фиг. 3 приведена схема свертывания пластины для получения модели нанотрубки с индексами хиральности (5,0). Отверстие (0,0) совмещают с отверстием (5,0) (нижняя, как уже говорилось, сторона пластины 50 - с ее верхней стороной), место соединения фиксируют съемным фиксатором, допускающим возможность осевой прокрутки вокруг общего центра совмещенных отверстий, а затем отверстия, лежащие на линии луча OV, совмещаются путем указанной прокрутки с отверстиями, лежащими на линии луча O1V1. После этого устанавливают второй фиксатор. Место установки второго фиксатора - любое удобное для этого отверстие из числа совмещенных отверстий, лежащих на совмещенных лучах OV и O1V1.
На фиг. 5 представлена фотография модели углеродной нанотрубки, полученной описанным выше путем, на которой показаны прозрачная пластина 50, свернутая в трубку, с прижимами 41 фиксаторов.
При свертывании пластины 50 для получения модели наноконуса отверстия, расположенные на одном из лучей, проходящих через центр отверстия (0,0), так же, как и в случае свертывания для получения модели нанотрубки, нужно совместить с отверстиями, расположенными на другом луче, проходящем уже через центр отверстия (m,n), но при этом второй луч должен быть не параллельным первому. Углом между этими двумя непараллельными лучами и определяется угол ϕ развертки наноконуса и соответственно угол α при его вершине. Так, на фиг. 4 приведена схема свертывания пластины для получения модели наноконуса с углом развертки ϕ=120°. Отверстие (0,0) совмещают с отверстием (5,0) (нижняя сторона пластины 50 - с верхней ее стороной), место соединения фиксируют съемным фиксатором, допускающим возможность осевой прокрутки, а затем отверстия, лежащие на линии луча OW, совмещают путем прокрутки с отверстиями, лежащими на линии луча O1U1. После этого устанавливают второй фиксатор. Место установки второго фиксатора - любое удобное для этого отверстие из числа совмещенных отверстий, лежащих на совмещенных лучах OW и O1U1. При этом угол между лучами OW и O1U1, равный 120°, определяет угол развертки моделируемого наноконуса.
На фиг. 6 представлена фотография модели углеродного наноконуса, полученной описанным выше путем, на которой показаны прозрачная пластина 50, свернутая в конус, с прижимами 41 фиксаторов.
Для моделирования углеродной нанотрубки с индексами хиральности (m,n) необходима пластина с размерами по осям упомянутой выше косоугольной системы координат не менее (m+1)×(n+1). Для моделирования углеродных наноконусов с образующей длиной m и углами развертки 60, 120 и 180° необходима пластина с размерами по осям упомянутой выше косоугольной системы координат не менее m×2m.
Конструктивное выполнение съемных фиксаторов поясняется фиг. 7-10. Фиксаторы показаны установленными на пластине 50 в местах расположения совмещенных отверстий 51.1, 51.2, принадлежащих двум ее частям: 50.1 (верхней на чертежах) и 50.2 (нижней).
В частных случаях по фиг. 7-9 съемный фиксатор содержит два прижима, которые располагают на разных сторонах пластины 50 в месте совмещения отверстий, принадлежащих разным частям пластины, как было описано выше.
В съемном фиксаторе, показанном на фиг. 7А, Б, прижимы имеют форму соответственно шарового сегмента и цилиндра с выступами, образованными прикрепленными (приклеенными) к их основаниям цилиндрическими магнитами (соответственно 40.3, 40.4 и 33.1). Диаметры оснований шаровых сегментов и диаметры цилиндров должны превышать диаметр отверстий 51.1, 51.2 в пластине 50.
Оба шаровых сегмента 41.1, 42.1 прижима съемного фиксатора по фиг. 7А выполнены из немагнитного материала. Магниты 40.3 и 40.4 этих прижимов имеют диаметральное направление намагничивания и ориентированы так, что их полюсы расположены справа и слева от вертикальной осевой линии. При этом указанные магниты имеют встречную ориентацию полюсов, которую они при установке прижимов на совмещенных частях гибкой прозрачной пластины приобретают "автоматически".
В съемном фиксаторе по фиг. 7Б прикрепленным магнитом 33.1 снабжен только цилиндр 35.1 верхнего прижима, а нижний цилиндрический прижим 37.1 целиком выполнен из магнитно-мягкого материала. Магнит 33.1 с аксиальным направлением намагничивания имеет высоту, равную сумме высот магнитов 40.3, 40.4 фиксатора по фиг. 7А, которая должна немного превосходить удвоенную толщину пластины (сумму толщин показанных на чертежах ее наложенных друг на друга частей 50.1 и 50.2).
Оба упомянутых магнита, показанных на фиг. 7А, могут иметь и аксиальное направление намагничивания при встречной ориентации их полюсов, а магнит, показанный на фиг. 7Б, может иметь и диаметральное направление намагничивания.
Возможно также не показанное на чертежах выполнение съемного фиксатора, аналогичное выполнению по фиг. 7А, с заменой в одного из цилиндрических магнитов 40.3, 40.4 цилиндром из магнитно-мягкого материала.
В съемном фиксаторе, показанном на фиг. 8А-З, прижимы имеют вставки в виде магнита или из магнитно-мягкого материала.
В съемном фиксаторе по фиг. 8А прижимы 31, 32 имеют цилиндрическую форму. Их диаметр, как и на фиг. 7Б, должен превышать диаметр отверстий 51.1, 51.2 в пластине 50. Прижимы 31, 32 выполнены из немагнитного материала и снабжены вставками 33, 34, представляющими собой прямые магниты, например цилиндрические, с аксиальным направлением намагничивания, установленные перпендикулярно плоскости оснований цилиндров 31, 32. Магниты выступают за пределы оснований цилиндров 31, 32 и имеют диаметр менее диаметра отверстий 51.1, 51.2 в пластине 50. Тем самым они образуют упомянутые выше выступы, входящие в совпадающие отверстия 51.1, 51.2 пластины 50 с получением оси, вокруг которой может осуществляться упоминавшаяся в предыдущих разделах описания прокрутка наложенных друг на друга частей пластины 50. Выступающие части магнитных вставок 33, 34, входящие в отверстия 51.1, 51.2, имея суммарную высоту, несколько превышающую удвоенную толщину пластины 50, имеют механический контакт друг с другом. Благодаря тому, что они имеют встречную ориентацию полюсов, обеспечивается фиксация частей пластины 50, зажатых между прижимами 31, 32. Выступающие части вставок 33, 34, находящиеся внутри совмещенных отверстий 51.1, 51.2 препятствуют поступательному взаимному перемещению частей 50.1, 50.2 пластины 50, однако не препятствуют их взаимному повороту (упоминавшейся выше прокрутке) относительно общего центра совмещенных отверстий 51.1, 51.2 (до тех пор, пока не установлен второй фиксатор в другую пару совмещенных отверстий).
На рассмотренной фиг. 8А и последующих фиг. 8Б-З выступы прижимов, т.е. части вставок, находящиеся в пределах отверстий 51.1, 51.2, или аналогичные части непосредственно "тела" прижимов на фиг. 9А, Б не снабжены отдельными цифровыми обозначениями с целью избежать излишнего загромождения чертежей.
Съемный фиксатор по фиг. 8Б по конструкции и функционированию аналогичен рассмотренному выше фиксатору по фиг. 8А за тем лишь исключением, что его прижимы имеют форму шаровых сегментов 41, 42. Магнитные вставки 43, 44 имеют такое же выполнение, как и вставки 33, 34 фиксатора по фиг. 8А и выступают за пределы оснований шаровых сегментов 41, 42.
Съемный фиксатор по фиг. 8В с прижимами 41, 42 отличается от фиксатора по фиг. 8Б только тем, что вставка 45 нижнего по чертежу прижима 42 не является магнитом, но выполнена из магнитно-мягкого материала. Контакт двух магнитов при использовании такого фиксатора заменяется контактом магнита и магнитно-мягкой вставки. Входящий в совмещенные отверстия 50.1, 50.2 выступ нижнего по чертежу прижима образован выступающей частью вставки 45.
Съемный фиксатор по фиг. 8Г с прижимами 41, 42 отличается от фиксатора по фиг. 8Б выполнением обеих магнитных вставок. Вставка 46 нижнего по чертежу прижима 42, являющаяся, как и в фиксаторе по фиг. 8Б, прямым магнитом, установлена заподлицо с поверхностью плоского основания шарового сегмента, форму которого имеет этот прижим. Вставка же 47 верхнего прижима 41, тоже являющаяся прямым магнитом, имеет выступ за пределы основания шарового сегмента 41, в котором она установлена, вдвое превышающий высоту выступов каждой из магнитных вставок 43, 44 фиксаторов по фиг. 8Б, 8В, а нижний прижим 42, как следует из сказанного выше, не имеет выступа. В итоге при установке фиксатора на свернутую пластину 50 обеспечивается контакт двух магнитных вставок, как и в рассмотренных выше фиксаторах по фиг. 8А, 8Б. Обе магнитные вставки 46, 47 могут представлять собой цилиндры с аксиальным направлением намагничивания.
В съемном фиксаторе по фиг. 8Д с прижимами 41, 42, в отличие от фиксатора по фиг. 8Г, вставка 48 нижнего по чертежу прижима 42 не является магнитом, но выполнена из магнитно-мягкого материала. Контакт двух магнитов при использовании этого фиксатора, как и при использовании фиксатора по фиг. 8В, заменяется контактом магнита и магнитно-мягкой вставки.
Съемный фиксатор по фиг. 8Е с прижимами 41, 49 отличается от фиксатора по фиг. 8Д тем, что нижний по чертежу прижим 49 не имеет вставки и изготовлен полностью из магнитно-мягкого материала. Как и при использовании фиксаторов по фиг. 8В, 8Д, при использовании данного фиксатора имеет место контакт магнита и магнитно-мягкого материала.
Съемный фиксатор по фиг. 8Ж аналогичен фиксатору по фиг. 8Б, но в отличие от него цилиндрические магнитные вставки 40.1, 40.2 выполнены не с аксиальным, а с диаметральным направлением намагничивания. На чертеже прижимы 41, 42 показаны при такой ориентации магнитов, что их полюсы расположены справа и слева от осевой линии цилиндров, форму которых имеют эти магниты, и магниты вставок имеют встречную ориентацию полюсов. При установке прижимов на совмещенных частях гибкой прозрачной пластины магниты вставок приобретают такую взаимную ориентацию "автоматически". При этом в "свободном" состоянии, т.е. на удалении друг от друга, прижимы фиксатора по фиг. 8Ж неотличимы.
Съемный фиксатор по фиг. 8З с прижимами 41, 42 отличается от фиксатора по фиг. 8Ж только тем, что вставка 45 нижнего по чертежу прижима 42 не является магнитом, но выполнена из магнитно-мягкого материала.
Съемный фиксатор по фиг. 9А аналогично фиксатору по фиг. 7А имеет прижимы 35, 36 цилиндрической формы и отличается от него тем, что эти прижимы не имеют магнитных вставок, но сами являются магнитами с аксиальным направлением намагничивания и имеют встречную ориентацию полюсов. В этом случае выступы, входящие в отверстия 51.1, 51.2 наложенных друг на друга частей 50.1, 50.2 пластины, принадлежат непосредственно монолитному "телу" прижимов.
В съемном фиксаторе по фиг. 9Б верхний прижим выполнен так же, как в фиксаторе по фиг. 9А. Нижний же прижим 37 в отличие от фиксатора по фиг. 9А не является магнитом, но выполнен целиком из магнитно-мягкого материала и имеет такую же форму, как магнит прижима 36 в фиксаторе по фиг. 9А.
(Выше при описании частных случаев выполнения фиксатора использована терминология, применяемая в технологии постоянных магнитов, см., например: Постоянные магниты. Справочник. /Под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Энергия, 1980, 488 с. [9]).
Во всех описанных выше возможных частных случаях выполнения съемного фиксатора прижимы цилиндрической формы могут быть заменены прижимами, имеющими форму шаровых сегментов, и наоборот, прижимы, имеющие форму шаровых сегментов, могут быть заменены прижимами цилиндрической формы. Очевидно также, что прижимы могут иметь и иную форму, причем необязательно одинаковую для обоих прижимов фиксатора.
В отличие от описанных выше случаев, когда роль элемента для введения в два совпавших отверстия пластины с образованием оси для обеспечения возможности взаимной прокрутки вокруг нее совмещенных частей пластины выполняют выступы прижимов, съемный фиксатор по фиг. 10 в качестве указанного элемента содержит стержень 61 с винтовой канавкой. Этот стержень снабжен головкой 62.
В качестве съемного фиксатора могут быть использованы и разнообразные другие средства, предназначенные для установки в отверстиях соединяемых предметов, например, фиксатор по авторскому свидетельству СССР №1366735 (опубл. 15.01.1988) [10], устройства типа кнопок для одежды и др.
На фиг. 11 условно показан вид с торца трубки, получившейся в результате свертывания пластины 50, с краями ее частей 50.1, 50.2, прижатыми друг к другу прижимами 41, 42 съемного фиксатора, имеющего выполнение по любой из фиг. 8Б-Д, Ж, З.
Съемные фиксаторы при хранении устройства или во время подготовки к свертыванию прозрачной пластины, изготовленной из гибкого материала, находящейся в исходном плоском состоянии, размещают непосредственно на указанной пластине 50, устанавливая их прижимы в периферийных отверстиях, как показано на фиг. 12 позицией 41.
Предлагаемое устройство может быть использовано как в учебных или демонстрационных целях, так и при проведении исследований, целью которых являются сравнительный анализ углеродных наноструктур.
Источники информации
1. Патент Великобритании №1144851, опубл. 12.03.1969.
2. Патент Японии №2642910, опубл. 20.08.1997.
3. Патент США №4014110, опубл. 29.03.1977.
4. Deane К. Smith. Bibliography on Molecular and Crystal Structure Models. U.S. department of commerce. National bureau of standards. National Bureau of Standards Monograph 14. Issued May 20, 1960.
5. Патент РФ на изобретение №2494466, опубл. 27.09.2013.
6. Патент РФ на изобретение №2494467, опубл. 29.09.2013.
7. Патент РФ на полезную модель №119504, опубл. 20.08.2012.
8. Патент РФ на полезную модель №119505, опубл. 20.08.2012.
9. Постоянные магниты. Справочник. /Под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Энергия, 1980, 488 с.
10. Авторское свидетельство СССР №1366735, опубл. 15.01.1988.
1. Устройство для моделирования углеродных нанотрубок и наноконусов, содержащее прозрачную пластину и элементы, имитирующие атомы углерода, отличающееся тем, что указанная прозрачная пластина изготовлена из гибкого материала с возможностью свертывания ее в трубку или конус, а элементами, имитирующими атомы углерода, являются выполненные в указанной пластине круглые отверстия одинакового диаметра, причем указанные отверстия образуют множество параллельных рядов, сгруппированных в пары таким образом, что в каждой паре рядов центры любых двух соседних отверстий одного ряда и ближайших к ним отверстий другого ряда находятся в вершинах прямоугольника, диагональ последнего в два раза превышает расстояние между центрами ближайших друг к другу отверстий разных рядов одной и той же пары, а центры отверстий соседних друг с другом рядов разных пар находятся на прямых, расстояние между которыми равно четверти длины упомянутой диагонали, центры отверстий любого ряда расположены относительно центров отверстий ближайшего к нему ряда соседней пары со сдвигом вдоль линии ряда на расстояние, равное половине расстояния между центрами соседних отверстий одного и того же ряда, кроме того, указанное устройство снабжено, по меньшей мере, двумя съемными фиксаторами для сохранения формы поверхности, которая образуется при свертывании указанной пластины в трубку или конус с наложением друг на друга разных частей этой пластины до достижения совмещения указанных круглых отверстий, расположенных в этих налагаемых друг на друга разных частях указанной пластины и получения периодического двумерного рисунка, образуемого совмещенными отверстиями на цилиндрической или конической поверхности, при этом, по меньшей мере, один из указанных съемных фиксаторов содержит элемент для введения в два из указанных совпавших отверстий пластины с образованием оси для обеспечения возможности взаимной прокрутки вокруг нее совмещенных частей указанной пластины после установки этого съемного фиксатора и до установки следующего.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из указанных съемных фиксаторов содержит два прижима, предназначенных для размещения на противоположных сторонах совмещенных частей указанной пластины в месте расположения двух совпавших отверстий и выполненных с возможностью взаимного магнитного притяжения и механического контакта друг с другом посредством имеющегося, по меньшей мере, у одного прижима выступа, являющегося указанным элементом для введения в два из совпавших отверстий пластины.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что каждый из двух прижимов съемного фиксатора выполнен в виде цилиндра или шарового сегмента, а указанный выступ, который имеет, по меньшей мере, один из прижимов, расположен со стороны плоского основания этих цилиндра или шарового сегмента.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что указанные цилиндр или шаровой сегмент выполнены из немагнитного материала, при этом каждый прижим снабжен указанным выступом, образованным цилиндрическим постоянным магнитом, установленным на плоском основании цилиндра или шарового сегмента, причем магниты обоих прижимов имеют направления намагничивания, обеспечивающие возможность встречной взаимной ориентации их противоположных полюсов при размещении прижимов на указанной пластине.
5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что один из цилиндров или шаровых сегментов выполнен из немагнитного материала и имеет выступ, образованный постоянным магнитом, установленным на плоском основании этого цилиндра или шарового сегмента, а другой цилиндр или шаровой сегмент выполнен из магнитно-мягкого материала и не имеет выступа.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что указанный магнит имеет цилиндрическую форму.
7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что каждый из прижимов выполнен в виде постоянного магнита или из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита, при этом магниты обоих прижимов имеют направления намагничивания, обеспечивающие возможность встречной взаимной ориентации их противоположных полюсов при размещении прижимов на указанной пластине.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что указанная вставка имеет цилиндрическую форму.
9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что один из прижимов выполнен в виде постоянного магнита или из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита, а другой прижим выполнен либо целиком из магнитно-мягкого материала либо из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита.
10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что в прижиме, содержащем вставку, указанный выступ образован частью вставки.
11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что указанная вставка имеет цилиндрическую форму.
12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в съемном фиксаторе указанный элемент для введения в два совпадающих отверстия указанной пластины выполнен в виде стержня с винтовой канавкой.
13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что указанный стержень снабжен головкой или буртиком.
14. Устройство по любому из пп. 1-13, отличающееся тем, что на указанной прозрачной пластине выполнены риски, соответствующие осям прямолинейной косоугольной системы координат, одна из которых направлена вдоль прямой, на которой расположены центры круглых отверстий левого ряда одной из указанных пар рядов, а другая проходит через центр одного из таких круглых отверстий и центр ближайшего находящегося справа и выше отверстия более близкого ряда соседней пары.
15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что круглые отверстия вдоль осей указанной прямолинейной косоугольной системы координат и параллельных им осей, имеющие целочисленные значения координат центров в этой системе координат, снабжены расположенными возле них нестирающимися надписями этих значений, причем единичному значению соответствует расстояние между центрами ближайших друг к другу круглых отверстий одного и того же ряда.
