Классификация наноматериалов.
Наноструктурныематериалы (наноматериалы) – кристаллические материалы со средним размером зерен или других структурных единиц менее 100 нм и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Они состоят из наночастиц, которые представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.
К ним относятся:
1.Фуллерены - молекулярные соединения, представляющие аллотропическую форму углерода (аллотропия – существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур). Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно 1 нм и напоминает футбольный мяч. Атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников.
молекула С60 молекула С70
Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри "оболочки". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен C60 (в виде футбольного мяча), а также молекула С70 (в виде мяча регби).
2.Нанотрубки углеродные - цилиндрические молекулы с гигантским числом атомов углерода.
Они представляют собой графитовые сетки, свёрнутые в трубки, и могут быть открытыми и закрытыми, одностенными, двустенными и многостенными. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников, являющихся ячейками в плоском графитовом листе. На концах закрытых нанотрубок помимо шестиугольных ячеек, характерных для структуры графита, присутствуют пятиугольные ячейки.
Углеродные нанотрубки, фото которых представлены ниже, имеют необычную структуру. Они бывают разных форм и размеров: однослойные, двухслойные и многослойные, прямые и извилистые. Несмотря на то, что нанотрубки выглядят довольно хрупкими, они являются прочным и хорошо работают на растяжение и изгиб.
Однослойная нанотрубка
Двухслойная нанотрубка
Многослойная нанотрубка это несколько однослойных нанотубуленов, «одетых» одна на одну по принципу русской матрёшки
Методы получения нанотрубок. На сегодняшний день существуют следующие методы получения углеродных нанотрубок:
распыления, аблясация и осаждение из газовой фазы.
Распыление в дуговом разряде – получение в плазме электрического разряда, который происходит с применением гелия.
Аблясация –получение углеродных нанотрубок в результате испарения графита на нижней части реактора. Охлаждение и сбор их происходит при помощи охлаждающей поверхности.
Осаждение из газовой фазы – получение нанотрубок из паров углерода, полученных при взаимодействии углеродсодержащих газов (ацетилен, метан,этанол и аммиак) с катализатором виде мелких частиц металлов (кобальт, никель и др.) Данный способ получения нанотрубок является самым распространенным.
Углеродные нанотрубки применяются:
в качестве добавок к полимерам; катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и трубок в телекоммуникационных сетях; в качестве поглотителя электромагнитных волн; для преобразования энергии; изготовления анодов в различных видах батареек; хранения водорода; изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств.
Функционализация углеродных нанотрубок сводится к наделению полимеров проводящими свойствами. Коэффициент теплопроводности нанотрубок достаточно высок, поэтому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного массивного оборудования.
Важнейшей отраслью применения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи.
3.Фуллери́ты — кристаллы, образованные молекулами фуллерена, имеющие гранецентрированную кубическую решётку со слабыми межмолекулярными связями.
Фуллерит является аллотропной модификацией углерода(C).
Крупнокристаллический порошок фуллерита C60 в растровом электронном микроскопе
При нормальных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1,417 нм, средний диаметр молекулы фуллерена С60составляет 0,708 нм, расстояние между соседними молекулами С60 равно 1,002 нм. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см3), и, тем более, алмаза (3,5 г/см3). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые.
Применение фуллерита:
1.как исходный материал для получения алмаза
Совсем недавно было показано, что поликристаллический фуллерит можно превратить в алмаз при давлении всего лишь 2 * 105 атм и при комнатной температуре. Пока же, как известно, для превращения поликристаллического графита в алмаз необходимо давление (3 - 5) * 106 атм и температура 1200 °С.
Таким образом, фуллериты являются наиболее перспективным сырьем для синтеза самого твердого и дорогого материала - алмаза.
Он тверже алмаза, прочнее стали, замечательно упруг, горит только при очень высокой температуре. Его открыли двадцать лет назад, но получали до сих пор с большими трудностями. И вот недавно случился настоящий прорыв. Ученые из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ и МИСиС первыми в мире нашли способ с легкостью синтезировать фуллерит в любых количествах.
Конструкционные наноматериалы могут быть представлены наноструктурированными композитами.
Наноструктурированные композиты – материалы, в которых наноразмерные частицы наполнителя в небольшом количестве вводят в расплав материала матрицы (металл или полимер).
При этом наблюдается значительное увеличение механической прочности и достижение высоких функциональных свойств.
Эффект наноструктурирования чаще возникает при использовании наночастиц, имеющих протяженную и сложную по геометрии форму (нанотрубки, нановолокна, нанозвездочки и др.), а следовательно – более развитую поверхность. Содержание наноразмерного наполнителя в наноструктурированных материалах обычно составляет не более 5 масс.%.
Характер влияния наночастиц на свойства композиционных наноматериалов и направления их использования в значительной степени зависит от типа матрицы, в которой диспергируются наночастицы.
Классификация нанокомпозитных материалов:
– полимер-матричные нанокомпозиты;
– металл-матричные нанокомпозиты;
– стекло-матричные нанокомпозиты;
– керамические нанокомпозиты.
В настоящее время наиболее широко используются следующие виды наноразмерных наполнителей композитных наноматериалов:
1. Углеродные нанотрубки и нановолокна, включая простые, двойные и многостеночные нанотрубки; простые и графитизированные нановолокна.,
На рынке представлены различные виды относительно длинных (5-30 мкм), обычно – взаимопереплетенных, нанотрубок и нановолокон (диаметром 1-20 нм), а также короткие легко диспергируемые в различных средах нанотрубки и нановолокна длиной 0,5-2 мкм и диаметром 20-50 нм.
Длинные нановолокна
2. Металлические, оксидные и гидроксидные нанотрубки.
Наиболее распространенными видами подобных нанонаполнителецй являются следующие: B4C, BN, LaF3, SiC, TiS2, MoS2, ZrS2. Длина нанотрубок этого типа составляет от 3 до 30 мкм, внешний диаметр 25-100 нм, внутренний диаметр 10-80 нм.
Кроме того, на рынке представлены нанотрубки следующих оксидов и гидроксидов металлов: Y2O3, MgO, TiO2, Al2O3, SiO2, др, имеющие длину 0,2 -20 мкм, внешний диаметр 40-200 нм, внутреннийдиаметр 15-150 нм.
3. Короткие нановолокна и наностержни
В том числе металлические (Ag, Bi, In, Si), полупроводниковые (GaP, InP), нитридные (Si3N4) и оксидные (TiO2).