Классификация наноматериалов по размерам.




Примерами наносистем могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли, нанокристаллы. Такой подход позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу вещества, а верхняя граница- это такое большое количество атомов в объекте, дальнейшее увеличение которого ведет к потере специфических свойств наночастицы - они становятся аналогичными свойствам компактного вещества (макротела) (рис. 4).

Фазовое состояние Единичные атомы Кластеры Наночастицы Макротело
Диаметр, нм 0.1 – 0.3 0,3 - 10 10 - 100 Свыше 100
Кол–во атомов 1-10 10-106 106-109 Свыше 109

Рис.4 Классификация дисперсных материалов по размерам дисперсной фазы.

Можно заключить, что при движении вдоль оси размеров от единичного атома до массивного состояния дисперсная система проходит через ряд промежуточных состояний, включающих кластерообразование, формирование наночастиц и нано – или ультрадисперсных сред.

Классификация по геометрическому признаку.

Характеристики объекта Примеры объект
Все три размера (длина, ширина и высота) менее 100нм Фуллерены, квантовые точки, коллоидные растворы,микроэмульсии Нульмерный
Длина сколь угодно велика, а поперечный размер менее 100нм Нанотрубки, нановолокна, Нанокапилляры, нанопоры Двумерный
Длина и ширина сколь угодно велики, а один размер (толщина) менее100нм Нанопленки, нанослои Одномерный
Все три измерения больше 100нм Макротела Трехмерный

Наноматериал можно определить как материал, состоящий из наноразмерных элементов, либо содержащий нанометровые включения, от которых сильно зависят его свойства. К наноматериалам относятся различные по технологии изготовления и по функциональным признакам материалы, которые объединяет только размер их структурных элементов.

Рис.5 Нульмерная (а), двумерная (б) и одномерная (в) дисперсная фаза.

Нульмерныенаноматериалы. К нульмерным дисперсным системам или наноматериалам (рис.5) относятся нано- (ультрадисперсные) порошки и наночастицы размером 1-100нм.

Наночастицы. Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из малого количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов (см. рис. 6). Наночастицы, размер которых меньше 10 нм, называют нанокластерами. Обычно, в нанокластере содержится до 1000 атомов.

Рис. 6 Фотоизображение наночастиц серебра,

В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован какковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов[9].

Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму октаэдра, икосаэдра, тетрадекаэдра (рис.7).

Рис.7 Возможные формы металлическихнаночастиц

Рис. 187 Модель металлическойнаночастицы.

Наночастицы серебра активно используются в косметике, зубной пасте, дезинфицирующих средствах и т.д. Их уникальные свойства объясняются электрохимическим потенциалом поверхности (рис.7).

Агломерат (агрегат) – несколько частиц, соединенных в более крупные образования. Агломераты и агрегаты различают по наличию внутренней пористости. В агломератах присутствуют межчастичные пустоты, а в агрегатах – нет[6].

Кластеры инертных газов. Это самые простые наночастицы (нанообъекты). Атомы инертных газов (гелий, неон, аргон и др.) (рис.8) с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-Ваальса. При описании таких частиц с достаточно хорошей точностью применима модель твердых шаров. Энергия связи, т.е. энергия, затрачиваемая на отрыв отдельного атома от наночастицы, очень мала, поэтому эти частицы и существуют при очень низких температурах (не выше 10-500К).

Рис. 8 Нанокластер из 16-и атомов аргона Рис.189 Модель ионной частицы NaCl.

Фрактальные кластеры. Фрактальным является объект с разветвленной структурой. Таковыми являются сажа, коллоиды, азрозоли, аэрогели. Фрактал это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно визуально увидеть, как одна и та же структура повторяется на всех уровнях и в любом масштабе (рис.9).

Рис.9 Модель фрактальной частицы

Рис.9а Фуллерен С60

Фуллерены. Фуллерены представляют собой полые частицы, образованные многогранниками (5 и 6-угольниками) из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Особое место среди фуллеренов занимает частица из 60 атомов углерода С60, напоминающая футбольный мяч (рис.9а).

Фуллерены могут использоваться при создании новых смазок и антифрикционных покрытий, новых видов топлива, алмазоподобных соединений со сверхвысокой твердостью, в качестве датчиков и различных красок.

Квантовые точки – это крохотные пирамидки в 50-100 атомов одного материала, размещенные на монокристалле другого материала (рис.10). Размер одной квантовой точки составляет единицы-десятки нанометров. Электронный спектр идеальной квантовой точки соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальный квантовый объект при этом может состоять из сотен тысяч атомов. Именно по этой причине квантовые точки называют также “искусственными атомами”. Ввиду малости величины квантовой точки на ее основе можно строить различные полупроводниковые устройства, использующие для своей работы квантовые размерные эффекты[5]. Лазеры нового поколения, основанные на гетеростуктурах с квантовыми точками, прекрасно работают, подтверждая старую истину, что в науке нет нерушимых догм. Ведь долгое время считалось, что вырастить кристалл с кусочками другого материала внутри без дефектов невозможно. То, что сделали сот рудники лаборатории Ж.И. Алферова, можно смело назвать

Рис.10 Квантовая точка

революцией в лазерной физике. Если раньше ученые, выращивая кристаллы для лазеров, вынуждены были полностью управлять процессом, то теперь ситуация иная – нужная структура растет сама! “Все дело в новой технологии выращивания материала”, – говорит академик Алферов. – “Традиционно гетероструктурные материалы, например, из арсенида галия и арсенида индия, получают, накладывая слой за слоем. Много лет назад, начиная эти исследования, мы наносили слои друг на друга вручную. Эта работа требовала огромного внимания и напряжения. Но теперь мы решили эту задачу, и уже сама природа помогает нам получать в процессе выращивания различные ансамбли таких квантовых точек. Дело в том, что если правильно подобрать все параметры: температуру, скорость осаждения, соотношение потоков атомов, то кристалл вырастет без дефектов.[3] И вырастет сам. Это позволяет радикально улучшить свойства полупроводниковых приборов, скажем, температурную стабильность лазерных диодов”.

Один из участников работы Николай Леденцов, выступая на международном семинаре “Нанотехнологии в физике, химии и биотехнологии”, пошутил, что теперь, зная законы роста наноматериалов, можно и поразвлечься: расположить квантовые точки в виде блюдец, сплести бусы из точек, создать большие и маленькие наноостровки. За этой шуткой большое будущее – варьируя расположение квантовых точек, можно изменять и корректировать свойства кристалла.

Двумерные наноматериалы. Дисперсность двумерных тел характеризуется двумя размерами, которые определяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а третий L размер на дисперсность не влияет. Двумерные системы составляют волокна, нити, капилляры, которые имеют макродлину, а два других размера измеряются в нанометрах Т.е. одномерные наноматериалы – это объекты в виде нитей. Такими объектами могут быть нанонити диаметром от 1 до 100нм изметалла, полупроводников(ZnO), сульфидов (CdS), нитридов (GaN); нанотрубки из углерода и халькогенидов(соединения с селеном,MoSe2); наностержни с характерным диаметром порядка 10нм; молекулы ДНК и вирусы.[11]

Квантовые проволоки – это совокупность квантовых точек, нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на кристаллическую подложку. Они позволяют изменять свойствакристаллов и создавать различные электропроводящие пути.

Одномерные наноматериалы. В случае одномерных тел только один размер определяет дисперсность. К одномерным материалам относятся пленки, мембраны, покрытия – толщина которых измеряется в нанометрах (1-100нм), а два других измерения имеют макроскопические размеры. Сюда можно также отнести тонкие поверхности полупроводников, двумерные массивы наночастиц из металлов, полупроводников и магнетиков.

Наблюдая на поверхности луж, пруда или озера радужные пята от солярки или бензина, растекшихся по поверхности воды. Это пример пленки толщиной в несколько нм. Пленки различных веществ примерно такой толщины являются одним из объектов нанотехнологий.

Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки называют пленками Ленгмюра-Блоджетта.

Рис.11 Модель гетероструктуры

Пленки или слои, собранные из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами (рис.11). Гетероструктура может состоять из последовательности десятков полупроводниковых слоев толщиной в несколько нм. Такого типа гетероструктуры используются при создании ярких светодиодов.

Квантовая плоскость – это многослойная твердотельная структура из тонких пленок различных веществ толщиной в один атом, сложенных одна на другую. Из-за малой толщины пленок в таких структурах начинают проявлять себя квантовые эффекты, которые весьма сильно воздействуют на поведение электронов внутри квантовой плоскости, что позволяет произвольным образом менять физические и химические свойства таких веществ.

Нано- структурные материалы и наночастицы.

К наночастицам относятся: нанокластеры, среди которых различают упорядоченныенанокластеры, 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.

Рис.11 Нано- структурные материалы.

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.

Нано- структурные материалы(рис.11) подразделяются по характеру взаимосвязи наночастиц на консолидированныенаноматериалы 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие науки о наноструктурах и, прежде всего, о квантовыхнаноструктурах (нанофизики) и нанотехнологий даст возможность получения наноматериалов с качественно новыми свойствами. Развитие наноэлектроники и наномеханики послужит основой качественно нового этапа в разработке новейших информационных технологий, средств связи, в решении проблем качественно нового уровня жизни и пр. Успех в развитии этих направлений определится, по сути, решением двух основных проблем: разработка надежных способов создания наноматериалов и нанообъектов с требуемыми свойствами, включая использование методов поатомной сборки и эффектов самоорганизации; разработка новых и развитие существующих методов нанодиагностики с атомным разрешением. Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет надеяться, что уже в недалеком будущем многие проблемы будут решены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Уч. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 117 с.

2. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы – состояние разработок и применение. // Перспективные материалы. 2001. №6. С.5–11.

3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2003 – 112 с.

4. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. – М.: МИФИ, 2004. – 32 с.

5. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. - М.: МИФИ, 2005. – 52 с.

6. Новые материалы. Под ред. Ю.С. Карабасова – М.: МИСИС, 2002 – 736 с.

7. АндриевскийР. А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы. // Рос.хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2002, т. XLVI, №5, с. 50-56.

8. Алферов Ж.И., Копьев П.С., Сурис Р.А. и др. Наноматериалы и нанотехнологии. // Нано- и микросистемная техника. 2003. №8. С.3-13.

9. Алфимов С.М., Быков B.А., Гребенников Е.П. и др. Развитие в России работ в области нанотехнологий. // Нано- и микросистемная техника. 2004. №8. С.2-8.

10. Гусев А. Наноматериалы и нанотехнологии.// Газета "Наука Урала", 2002. №24(822).

11. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития // Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 292.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: