Разновидности наноматериалов

РАЗНОВИДНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Цель занятия: Ознакомиться с основными терминами и понятиями используемыми в нанотехнологиях.

 

Теоретическая часть

Быстрые темпы развития исследований и разработок в области наномира и связанный с этим все возрастающий поток новых научных и технологических знаний требуют корректировки и уточнения соответствующего понятийного аппарата, который на сегодняшний день находится в стадии становления. Основные термины наномира собраны и обобщены в энциклопедическом формате в книге WhatisWhatintheNanoworld. Следует, однако, заметить, что довольно часто эти термины даются разными авторами в различных трактовках и вызывают неоднозначное восприятие, что объясняется наличием двух подходов к их рассмотрению. Согласно первому подходу объекты наномира рассматриваются с учетом только лишь их наноразмерных параметров, для которых устанавливаются условные границы возможных изменений. Согласно второму подходу объекты наномира характеризуются особыми свойствами, которые проявляются в силу присущих им наноразмеров. Приставка «нано» в терминах наномира означает изменение масштаба в 10⁹ (миллиард) раз: 1 нм (1 нанометр) = 10^-9 м, что составляет одну миллионную миллиметра. В табл. 1 приведены в качестве примера размеры некоторых естественных и искусственных объектов в диапазоне размеров от 10 м до 1 А (1А = 10^-10 м, т.е. 1 ангстрем в 10 раз меньше нанометра и соответствует диаметру самого маленького из атомов – атома водорода). Принято считать, что к объектам наномира относятся такие объекты, ха- рактерные размеры которых лежат в пределах от 1 до 100 нм. Вообще говоря, такое размерное ограничение является довольно условным. Главная особенность нанообъектов состоит в том, что в силу их малости в них проявляются особые свойства. Во многих случаях эти особые свойства могут проявляться и тогда, когда размеры нанообъектов превышают условно установленный предел в 100 нм.

Таким образом, приставка «нано» – скорее обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, чем просто характеристика протяженности базового структурного элемента.

Как видно в табл. 1.1, в соответствии с указанным размерным ограничением нанообъектов верхняя граница наноразмерной области соответствует минимальным компонентам в больших интегральных схемах (БИС), широко применяемых в электронной технике. С другой стороны, многие вирусы имеют размер около 10 нм, а характерный размер белковых молекул составляет около 1 нм (например, радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм). Пожалуй, одним из наиболее распространенных терминов наномира является термин «наноматериалы». Вообще говоря, понятие «материалы» тесно связано с понятием «вещество». Материалы – это такие вещества, которые используются или пригодны к использованию для решения практических задач. Вещества являются одним из видов материи (наряду с полями). Основные характеристики веществ – структура и свойства. Структура веществ – это совокупность составляющих их элементов, обладающих устойчивыми взаимосвязями, обеспечивающими их целостность и сохранение их свойств. Свойства веществ – это их качественные или количественные признаки, которые отражают индивидуальность каждого из них или, наоборот, общность с другими веществами и проявляются при сравнении разных веществ. Все вещества, в конечном счете, состоят из элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.), обладающих не равной нулю массой покоя, т.е. массой, отнесенной к некоторой системе отсчета, в которой эти частицы являются неподвижными. Естественные науки (физика, химия, биология) изучают главным образом вещества, организованные в атомы и молекулы. Атом – это электрически нейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра, образованного нуклидами (протонами и нейтронами), и отрицательно заряженной оболочки, образованной электронами. Атом является наименьшей частицей химического элемента, представляющего собой совокупность нуклидов и электронов, характеризующуюся определенным порядковым номером, который численно равен модулю заряда нуклидов и однозначно определяет химическую индивидуальность элемента и его положение в Периодической системе химических элементов. Все многообразие веществ обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных химических элементов образуют более сложные частицы – молекулы. Число атомов, входящих в состав молекул, колеблется в очень широких пределах: од двух (например, молекула водорода) до нескольких сотен и тысяч (например, молекулы полимеров). Вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: плазменном, газообразном, жидком и твердом. По своему происхождению вещества бывают как природными, так и синтетическими. Они могут обладать различными физическими, химическими или биологическими свойствами, которые зависят от их структуры. Главное отличие материалов от веществ заключается в том, что материалы характеризуются функциональными свойствами, определяющими области их практического применения. Материалы служат для осуществления производственной деятельности либо иной деятельности, например, связанной с решением проблем охраны здоровья или окружаюшей среды. На практике наибольшее распространение находят твердотельные материалы, обычно представляющие собой специально приготовленные образцы, которые обладают определенными конструктивными признаками, а именно: конфигурационными и размерными параметрами. К наноматериалам относятся такие материалы, которые характеризуются нанометровым масштабом размеров хотя бы в одном из трех измерений. При этом нанометровый масштаб размеров может относиться как к образцу материала в целом, так и к его структурным элементам. Соответственно, в первом случае нанообъектами является непосредственно образцы материалов, во втором – их структурные элементы. Наноматериалы, также как и обычные материалы, могут находиться в различных агрегатных состояниях. На практике ннаибольшее распространение находят твердотельные наноматериалы. Наиболее характерными особенностями наноматериалов являются: появление нетрадиционных видов симметрии структуры и особых видов сопряжения границ раздела фаз; ведущая роль процессов самоорганизации в структурообразовании, доминирующих над процессами искусственного упорядочения; высокая полевая активность и каталитическая избирательность поверхности наночастиц и их ансамблей; особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и наличием синергетических признаков. К числу основных причин проявления вышеуказанных особенностей наноматериалов и наносистем относятся: высокая удельная поверхность и связанная с ней высокая энергетическая активность наночастиц; повышенная роль размерных эффектов, которая проявляется как в индивидуальных наночастицах, так и в их ансамблях – из-за значительной площади границ раздела. Все это находит свое отражение в механизмах упорядочения нано- частиц, свойствах наночастиц и их ансамблей, в закономерностях различных процессов. С понятием «наноматериалы» тесно связано понятие «наносистемы». В самом общем случае под системами понимаются определенным образом упорядоченные элементы, которые могут быть как материальными объектами, так и нематериальными, т.е. абстрактными (например, Периодическая система химических элементов представляет собой совокупность символов химических элементов, расположенных в определенном порядке, обычно, в форме таблицы, в соответствии с их атомными номерами). В свою очередь, системы, образованные материальными объектами, могут подразделяться на различные виды в зависимости от характеризующих их признаков. Так, предметом изучения в физике, химии и биологии являются системы, представляющие собой совокупность материальных объектов, характеризующихся соответственно физическими, химическими или биологическими свойствами, а также взаимосвязями соответственно физической, химической или биологической природы. Например, в физике это – квантово- механические системы, т.е. нуклидо-электронные системы, дискретные значения энергии которых определяются набором квантовых чисел, в химии – системы химических реагентов, в биологии – системы биокомпонентов, образующих органы растений и животных и участвующих в их жизнеобеспечении. В практической деятельности особо важную роль играют функциональные системы, т.е. такие системы материальных объектов, которые используются или пригодны к использованию для решения практических задач и, соответственно, обладают функциональными свойствами, определяющими области их практического применения. Функциональные системы изготавливаются на основе различных материалов, которые подразделяются на сырье (материалы, ранее не подвергавшиеся переработке), и полуфабрикаты (материалы, подвергнутые предварительной, частичной переработке). Также как образцы материалов, функциональные системы обладают конструктивными признаками, отличаясь при этом более высокой конструктивной сложностью. Обычно они представляют собой устройства, конструкция которых определяется конфигурацией, размерами, пространственным расположением и взаимосвязью составляющих их компонентов. Функциональные наносистемы подобно наноматериалам характеризуются нанометровым масштабом размеров хотя бы в одном из трех измерений. Свойства функциональных наносистем, также как и свойства наноматериалов, могут проявляться весьма необычным образом в силу присущего им нанометрового масштаба размеров. На практике наибольшее распространение находят твердотельные функциональные наносистемы. Развитие наноматериалов происходит в тесной взаимосвязи с развитием нанотехнологий, которые представляют собой совокупность методов и средств, позволяющих контролируемым образом создавать наноматериалы, а также оперировать ими, т.е. применять их по тому или иному назначению. Таким образом, нанотехнологии в общем случае обеспечивают решение следующих трех взаимосвязанных задач: 1) получение наноматериалов с заданной структурой и свойствами, 2) применение наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств, 3) контроль (исследование) структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и входе их применения. Научным фундаментом для развития наноматериалов и технологии их получения является нанонаука – систематизированное знание закономерностей и механизмов поведения вещества в нанометровом масштабе размеров. На сегодняшний день термин «нанонаука» не имеет достаточно точного определения. Это объясняется тем, что процесс становления нанонауки шел постепенно, в ходе развития и слияния целого ряда различных научных направлений, и до настоящего времени этот процесс еще далек от своего завершения. Нанонаука основывается на физике, химии и биологии, прежде всего, на тех разделах этих научных дисциплин, в которых изучаются объекты, состоящие из счетного числа атомов или молекул, т.е. такие объекты, в которых в значительной степени проявляется сильная зависимость свойств от размеров, дискретная атомно-молекулярная структура вещества, квантовые закономерности его поведения. Так как на практике наибольшее распространение находят твердотельные наноматериалы, то, соответственно, важнейшим научным базисом для их развития является теория твердого тела.

Разновидности наноматериалов

Наноматериалы имеют ряд структурных особенностей, которые обусловлены наличием параметров, которые могут относиться к структуре как в целом, так и к ее отдельным элементам. В свою очередь, структурные особенности наноматериалов находят свое отражение в необычном проявлении их свойств. Поскольку наноматериалы лежат в основе создания наносистем, то свойства наносистем в значительной степени зависят от свойств наноматериалов. Существуют различные виды наноматериалов, каждый из которых характеризуется присущей ему спецификой структуры, и как следствие, свойств. Особенности наноматериалов и создаваемых на их основе наносистем проявляются, прежде всего, в размерных эффектах, среди которых особое место занимают квантовые эффекты. Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурныематериалы (рис. 1). Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

К наночастицам относятся: нанокластеры, среди которых различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении атомов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные нанокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями; нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями – подобно массивным кристаллам (макрокристаллам). фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде сфероподобного каркаса; нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами; НанокластерыФуллерены СупермолекулыНанотрубкиНанокристаллыБиомолекулы Мицеллы ЛипосомыНаноматериалыНаносуспензииНанопорошкиНаноэмульсииНаноаэрозоли Консолидированные наноматериалыФуллериты Фотонные кристаллы Нанокристаллические материалы Слоистые нанокомпозиты Матричные нанокомпозитыНанопористые материалы НаноаэрогелиНаночастицыНаноструктурные материалы Нанодисперсии Рис. 1. Классификация наноматериалов по структурным признакам супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»; биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки); мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру; липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений – фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру. Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Нано- структурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наноча- стиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии. Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом. К консолидированным наноматериалам относятся: нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, которые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами; фуллериты, состоящие из фуллеренов; фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направлениях с полудлиной световой волны; слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины. матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы – матрицы, в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки); нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор; наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины, разделяющие поры. Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой. К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпозиты и нанопористые материалы, а также: нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наночастиц; наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости; наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распределенных в объеме другой жидкости; наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно распределенных в объеме газообразной среды. Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомолекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологическую природу. Довольно часто образцы различных наноструктурных материалов являются объемными (массивными), т.е. характеризуются микро- или макроразмерами, в то время как составляющие их структурные элементы являются наноразмерными. В разных наноматериалах могут иметь место те или иные особенности проявления эффектов, связанных с малыми размерами составляющих их структур. Так в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, т.е. доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от атомов в объеме, которые связаны с окружающими их атомами. Изменение соотношения атомов на поверхности и в объеме также может привести к атомной реконструкции, в частности, к изменению порядка расположения атомов, межатомных расстояний, периодов кристаллической решетки. Размерная зависимость поверхностной энергии нанокристаллов предопределяет соответствующую зависимость температуры плавления, которая для нанокристаллов становится меньше, чем для макрокристаллов. В целом в нанокристаллах наблюдается заметное изменение тепловых свойств, что связано с изменением характера тепловых колебаний атомов. В ферромагнитныхнаночастицах при уменьшении размера ниже некоторого критического значения становится энергетически невыгодным разбиение на домены. В результате наночастицы превращаются из полидоменных в однодоменные, приобретая при этом особые магнитные свойства, выражающиеся в суперпарамагнетизме. Весьма необычными свойствами в силу специфики своей структуры характеризуются фуллерены и нанотрубки, а также молекулярные и биомолекулярные комплексы, функционирование которых подчиняется соответственно законам молекулярной химии и биологии. Особенности структуры и свойств индивидуальных наночастиц накладывают определенный отпечаток на структуру и свойства образуемых на их основе консолидированных наноматериалов и нанодисперсий. Типичным тому примером являются нанокристаллические материалы, которые характеризуются пониженной долей зерен и, соответственно, повышенной долей межзеренных границ в объеме материала. Одновременно в них происходит изменение структурных характеристик как зерен, так и межзеренных границ. В результате в нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут обладать сверхтвердостью или сверхпластичностью. В практическом отношении особый интерес представляют электронные свойства наноструктур, обусловленные квантовыми эффектами.

Наноматериалы служат основой для создания наносистем различного функционального назначения, которые подразделяются по принципу действия на электронные, оптические и механические – рис. 2. Действие электронных наносистем основано на преобразовании электрических сигналов, оптических – на преобразовании оптических (световых) сигналов в электрические и наоборот, механических – на преобразовании механического движения. Совокупности наносистем определенных типов образуют соответствующие отрасли наносистемной техники – наноэлектронику, нанооптику и наномеханику. Развитие различных типов наносистем идет в тесной взаимосвязи, что приводит к созданию более сложных по конструкции, интегрированных наносистем, таких как нанооптоэлектронные, наноэлектромеханические, нанооптомеханические и нанооптоэлектромеханические системы. Создание наносистем является дальнейшим шагом на пути развития соответствующих микросистем. Обычно на практике наносистемы встраиваются в различные микросистемы, формируя тем самым перспективное направление современной системной техники – микронаносистемную технику.

Контрольные вопросы:

 

1. Что такое нанотехнология в контексте научно-технического

направления?

2. Каковы особенности материалов нанометрового масштаба?

3. Какова современная классификация нанотехнологии?

4. Каковы особенности технологии наноматериалов как одного из

направленийнанотехнологии?

5. Как меняется роль поверхности при уменьшении размеров частиц и

почему?

 

Задание для выполнения:

1. Переведите в нанометры:

83 А, 120 пм, 0.532 мкм

2. Переведите в микрометры:

1064 нм, 3 мм, 14 пм

 

Литература:

1. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е., Стогней О. В. Новые направления физического материаловедения. Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 2000.

2. Шик А. Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Ф., Рыков С. А. Физика низкоразмерных систем. СПб.: Наука, 2001.

3. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера, 2003.

4. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии: учеб. пособие. М.: Техносфера, 2005.

5. Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. М.: ИД "Вильямс", 2004.