Добрый день, уважаемые читатели и слушатели журнала Методолог.
Представляю сегодняшних авторов: профессиональный ТРИЗ эксперт 4ого уровня, к.т.н. Сергей Логвинов и Мастер ТРИЗ Наум Фейгенсон. В недавнем прошлом сотрудники известной питерской компании «Алгоритм», а сегодня сотрудники компаний Самсунг Корнинг и Самсунг Электромекеникс.
Авторы рассматривают очень интересный аспект в существовании понятия «пустота» в категориях наших дисциплин.
Пустота очень полезный способ моделирования в развитии техники, потому что не раз двигало технику вперёд.
На представленном рисунке – первое изображение это знаменитый гессенский тигель, который позволил задолго до успехов науки ХХ века открыть очень важный материал:силикат алюминия или «муллит» Al6Si2O13.
Этот материал нельзя было получить, используя обычные тигли, но конструкция гессенского тигля отличается наличием в нём остроумно устроенных пустот, которые позволяли получать температуры до 1100 градусов, без которых открытие муллита не состоялось бы.
Прорывы в показателях КПД источников света тоже были бы невозможны, если бы не появились технологии вакууммирования, по сути технологий производства «пустоты». Появление газобетонов (третье изображение) способно произвести революцию в строительных технологиях.
Успехи полимерной химии, которая способна производить материалы с самыми разными свойствами тоже может быть привязано к модели «пустоты», которая воспринимается в наших дисциплинах не как «вакуум», а как определённая неоднородность.
Твёрдое тело и «пустота» это что-то типа газобетона, а «пустота» и «твёрдое тело», это что-то типа гранул полистирола на четвёртом изображении рисунка.
Представляемый сегодня материал далеко не первая попытка обратить внимание исследователей ЗРТС на эту эвристически эффективную модель понимания путей развития техники.
Ещё 20 лет назад в состав ЗРТС входил «закон повышения пустотности», который позднее был признан трендом невысокого ранга.
7 лет назад КП проводила один из своих первых проектов «Гадание о пылесосе», в котором была предпринята попытка оцифровки любой ТС с помощью матрицы характерных эволюционных состояний, в которой каждый из 22 выбранных параметров выполнял функции «нулевого элемента». Этот проект доступен в архиве КП и сегодня.
Авторы сегодняшнего материала высказывают гипотезу о том, что использование понятия пустоты могло бы дать механизмы описания инженерных приёмов в таких новых областях как нанотехнологии или современное материаловедение вообще, если ввести его в обиход анализа совместно с понятиями фазовых переходов.
Сегодня известна компьютерная память на феноменах фазовых переходов у таких соединений как оксиды титана. Это бурно развивающаяся много обещающая область полупроводниковой индустрии.
Однако, все наши механизмы анализа из ЗРТС создавались на материале макроуровня.
Адаптация , а сначала просто изучение новейшей истории техники в области микроуровня должны выявить специфические тренды развития, которых мы сегодня толком и не знаем, а они должны быть явно другими просто из соображений содержания закона перехода количества в качество.
Представляемая сегодня статья – материал для размышлений в этом направлении.
Приятного чтения,
С уважением,
Ведущий рубрики КП,
Юрий Даниловский.
Юрий Даниловский.
С.А.Логвинов, Н.Б.Фейгенсон
О возможности совместного использования линии увеличения пустотности и рекомендаций по применению фазовых переходов.
Классические инструменты ТРИЗ часто рекомендуют использовать пустоту при решении изобретательских задач. Например, в АРИЗ-85В при выполнении Шага 4.4. следует определить, решается ли задача заменой имеющихся ресурсных веществ пустотой или смесью ресурсных веществ с пустотой. В системе 76 Стандартов имеется подстандарт 5.1.1.1, предлагающий вместо вещества использовать "пустоту" в ситуации, когда введение в систему дополнительного вещества запрещено условиями задачи или недопустимо по условиям работы системы. И, наконец, линия увеличения пустотности рассматривается как одно из эффективных направлений совершенствования технических систем [1].
При этом понятие «пустота» определяется достаточно широко. Согласно примечанию 35 АРИЗ-85В: «Пустота - исключительно важный вещественный ресурс. Она всегда имеется в неограниченном количестве, предельно дешева, легко смешивается с имеющимися веществами, образуя, например, полые и пористые структуры, пену, пузырьки и т.д... Пустота - это не обязательно вакуум. Если вещество твердое, пустота в нем может быть заполнена жидкостью или газом. Если вещество жидкое, пустота может быть газовым пузырьком. Для вещественных структур определенного уровня пустотой являются структуры нижних уровней. Так, для кристаллической решетки пустотой являются отдельные молекулы, отдельные атомы и т.д». Такое широкое определение «пустоты» частично перекрывает понятие «фаза».
Другим широко применяемым инструментом ТРИЗ является использование фазовых переходов. Помимо стандартов подклассов 5.3 и 5.4, фазовые переходы являются одним из средств разрешения физических противоречий в АРИЗ-85В (Шаг 5.3, в котором 5 из 11 способов разрешения физических противоречий адресуют к применению фазовых переходов). Следует отметить, что в ТРИЗ понятия «фаза» и «фазовый переход» используются в более широком смысле, чем в физике. В качестве «второй фазы» возможно рассмотрение некой «неоднородности», которая может быть, в том числе, и пустотой. Такой подход несет в себе большой эвристический потенциал, однако теряется строгость, зачастую это затрудняет общение с «классическими» техническими специалистами. Кроме того, неоднократно возникали сложности и досадные недоразумения при общении с экспертами и заказчиками, не говорящими по-русски.
Насколько независимы эти инструменты — линия эволюции пустотности и рекомендации по применению фазовых переходов? Например, в тексте Стандарта 5.3.4 «Переход к двухфазному состоянию вещества» в качестве примера приводится Патент США № 3589468, использующий классическую «пустотную систему» - пену. Поставим вопрос более определенно - возможно ли корректное и продуктивное использование понятия «пустота» применительно к фазовым переходам? Как минимум, есть основания для сдержанного оптимизма. Работы последних лет в области физики кластеров и фазовых переходов в кластерных системах позволяют успешно оперировать понятием «пустотность» при описании фазовых переходов. Это, в свою очередь, дает надежду на логичное объединение методических инструментов ТРИЗ, регламентирующих применение «пустотности» и фазовых переходов.
Поясним несколько подробнее, в чем заключается идея применения «концепции пустот» к описанию фазовых переходов в кластерах. Понятие «кластер» употребляется в самых разных областях науки - от физики до социологии. В интересующей нас области «кластер» (от англ, cluster, буквально - пучок, рой, скопление) - группа близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул или ионов, иногда ультрадисперсные частицы [2]. Этот термин впервые появился в научной литературе в 1937 году в работах Дж. Е. Майера по статистической механике неидеальных газов. Первоначально он означал группу атомов или молекул, выделяемую в газе по определенным формально-математическим признакам [3]. Введение кластеров было математическим приемом (число кластеров могло быть и отрицательным.) Однако в работах Я.И. Френкеля эти математические объекты были отождествлены с материальными объектами — «гетерофазными флюктуациями». После этого понятие «кластер» стало весьма употребительным в теории конденсации и образования новой фазы. Прорыв в понимании и предсказании свойств кластеров произошел в 70-х годах прошлого века и был связан с появлением возможности компьютерного моделирования их свойств. В настоящее время осуществляется экспериментальное изучение свойств кластеров и технологическое освоение материалов на их основе в рамках обширных нанотехнологических исследовательских программ. На сегодняшний день достигнут большой прогресс в понимании фазовых переходов в макроскопических системах, позволяющий обобщить классические понятия фазы и фазового перехода введением понятия «пустота», с которым связывается элементарное конфигурационное возбуждение кластера [4].
Слабому конфигурационному возбуждению твердого состояния соответствует пустота в виде вакансии. При заметном возбуждении размер пустот увеличивается. Размер, форма и энергия возбуждения этих пустот могут быть описаны статистически. Фазовые переходы могут быть рассмотрены как миграция и изменение средних параметров этих пустот. Можно заметить, что этот подход не является чем то революционным, а логически развивает идеи Я.И.Френкеля, предложившего в 1926 году понятия о подвижных дырках в решетке кристалла и о точечных (0-мерных) дефектах кристаллической решетки. Такие объекты, фактически являясь «пустотой», способны к генерации, перемещению под действием внешних воздействий, образованию скоплений с увеличением размерности и т.д. При этом вблизи фазовых переходов их влияние на систему увеличивается - несмотря на то, что вакансии считаются 0-мерным дефектом, их количество (и, соответственно, общий объем) достигает вблизи точки плавления 1-2% от общего числа атомов.
Более подробное описание этого подхода все желающие найдут в фундаментальной статье Р.С.Берри и Б.М.Смирнова [5], а мы перейдем к практическим выводам. Что полезного мы можем почерпнуть из вышесказанного для развития методических инструментов?
Прежде всего, перечислим некоторые необычные свойства кластерных систем, которые достойны включения в указатели эффектов:
- Более сложная картина фазовых переходов в кластерных системах. Например, плавление кластерной системы может включать в себя нескольких фазовых переходов, каждый из которых относится к разным оболочкам кластера [5].
- Агрегатные состояния кластеров вблизи температуры плавления отличаются от состояний макроскопических систем. В них динамически сосуществуют различные фазы, причем равновесие является динамическим. Иными словами, часть времени система находится в твердом состоянии, часть — в жидком [5,6].
- Положение точки фазового перехода зависит от параметров кластера, например, температура плавления зависит от формы кластера [7]
- В некоторых ситуациях кластерные системы могут иметь отрицательную теплоемкость [8,9]
Во всех перечисленных случаях особенности поведения системы обусловлена ее структурой - т.е. наличием пустотности, параметры которой меняются в ходе фазовых переходов. Управляя параметрами пустотности, можно оказывать влияние как на параметры фазовых переходов, так и на их характер. Достаточно обширный обзор потенциально применимых свойств кластерных материалов (включая оптичесие и магнитные) представлен в обзоре [10].
Подведем итоги:
- Кластерные системы имеют необычные сочетания свойств, связанные с поведением пустот в их структуре. Эти сочетания свойств могут использоваться для решения изобретательских задач.
- Теория кластерных систем позволяет эффективно использовать понятие «пустота» и предсказывать влияние параметров пустотности на свойства системы, включая изменение параметров фазовых переходов и появление новых типов фазовых переходов.
- Представляются перспективными попытки совместного использования линии увеличения пустотности и рекомендаций по применению фазовых переходов в решательных инструментах ТРИЗ. Это может существенно расширить возможности по управлению параметрами Оперативной Зоны и облегчить разрешение физических противоречий
Использованная литература
1. Альтшуллер Г.С., Верткин И.М., Линии увеличения пустотности.1987
2. Кластеры, словарная статья. http:/ www.xumuk.ru/encyklopedia/2008.html
3. Лахно В.Д., Кластеры в физике, химии, биологии, Ижевск: НИЦ "РХД", 2001 г.
4. Б.М.Смирнов., Кластеры и фазовые переходы. УФН, т.177, №4, стр.369-373
5. P.С.Берри, Б.М. Смирнов., Фазовые переходы и сопутствующие явление в простых системах связанных атомов. УФН, т.175, №4, стр.367-411
6. R. Stephen Berrya, Boris М. Smirnov., Observability of coexisting phases of clusters. lnternational Journal of Mass Spectrometry 280 (2009) 204 - 208
7. F. Celestini, А. Ten Bosch., Effect of shape on phase transition temperature of clusters. Physics Letters А 207 (1995) 307-314
8. Martin Schmidt, Hellmut Haberland., Phase transitions in clusters, С. R. Physique 3 (2002) 327 — 340
9. М. Eryurek, М.Н., Guven. Negative heat capacity of Ar55 cluster. Physica А 377 (2007) 514 — 522
10. W. Eberhardt., Clusters as new materials. Surface Science 500 (2002) 242 — 270
