Вступ до наноструктурного матеріалознавства

Уперше концепція наноматеріалів була сформульована стосовно металевих матеріалів Глейтером у 1981 р., і був уведений термін нанокристалічні матеріали, пізніше стали використовуватися такі терміни, як наноструктурні, нанофазні, нанокомпозитні та ін. Головна роль відповідно до цієї концепції була відведена поверхням поділу (границям зерен) як фактору, що дозволяє суттєво змінити властивості твердих тіл шляхом модифікування структури й електронної будови та легування хімічними елементами незалежно від розмірів їх атомів і типу хімічного зв’язку.

Слід зазначити, що дослідження малорозмірних об’єктів (колоїди, дрібнодисперсні порошки, тонкі плівки) і квантових розмірних явищ почалося досить давно. Більш того, археологічні знахідки свідчать про існування рецептур приготування колоїдних розчинів ще в античному світі.

Широкий інтерес, який виявляється до нанооб’єктів в останні роки, обумовлений принаймні трьома обставинами:

по-перше, методи нанотехнології дозволяють отримувати нові матеріали і пристрої з характеристиками, які значно перевищують їх сучасний рівень, що дуже важливо для інтенсивного розвитку багатьох галузей техніки, біотехніки, охорони навколишнього середовища, медицини, оборони тощо;

по-друге, нанотехнологія виявилася широким науковим напрямом, який об’єднує спеціалістів у галузях фізики, хімії, матеріалознавства, комп’ютерної техніки, економіки, соціології та ін.

по-третє, розв'язання проблем нанотехнології виявило багато прогалин як у фундаментальних, так і в технологічних знаннях, що сприяло концентрації науково-інженерної діяльності в цьому напрямі.

Наноструктурними прийнято називати матеріали, основні структурні елементи яких (кристаліти, зерна, шари, волокна, пори) не перевищують 100 нм, принаймні в одному напрямі. До задач матеріалознавчих досліджень входить установлення різноманітних зв’язків між властивостями і структурою матеріалів з виявленням оптимальних наноструктур, що здійснюється в тісному зв’язку з технологією виготовлення і подальшою експлуатацією наноструктурних матеріалів.

Завдяки своїм унікальним властивостям наноструктурні матеріали займають провідне місце в сучасному матеріалознавстві. Серед них можна виділити декілька основних різновидів: консолідовані наноматеріали, нанонапівпровідники, нанополімери, фулерени і тубулярні наноструктури, нанопористі матеріали, нанобіоматеріали, супрамолекулярні структури.

До консолідованих наноматеріалів відносять компакти, плівки і покриття з металів, сплавів, сполук, які отримані методами порошкової технології, інтенсивної пластичної деформації, контрольованої кристалізації з аморфного стану та різними методами нанесення плівок і покриттів. Нанозерна цих матеріалів перебувають не в ізольованому стані або слабозв’язаному вигляді, а в консолідованому стані. Міцність прошарків між зернами в консолідованих наноматеріалах досить висока.

Фулерени і тубулярні наноструктури стали предметом багатьох досліджень починаючи з 1985 р., коли була відкрита нова форма вуглецю – кластери С60 і С70, названі фулеренами, та особливо з 1991 р., коли виявили вуглецеві нанотрубки в продуктах електродугового випаровування графіту.

Нанонапівпровідники, нанополімери і нанобіоматеріали можуть бути як в ізольованому, так і в частково консолідованому стані, утворюючи також гібридні матеріали.

Нанопористі матеріали характеризуються розмірами пор, як правило, менше 100 нм.

Супрамолекулярні структури – це наноструктури, які отримують у результаті так званого нековалентного синтезу з утворенням слабких (вандерваальсівсових, водневих та ін.) зв’язків між молекулами та їх ансамблями.

Каталізатори – також один з прикладів наноматеріалів, що давно досліджуються і широко застосовуються.

Таким чином, види наноматеріалів дуже відрізняються як за технологією виготовлення, так і за функціональним призначенням. Їх об’єднує тільки характерний малий розмір частинок, зерен, трубок, пор, що визначає структуру і властивості. Мінімальний розмір структурних елементів становить (0,1…1,0)· 10^–9 нм, тобто відповідає розмірам окремих атомів та молекул, максимальний розмір – 100 нм – встановлений умовно.