Наночастицами принято называть небольшие агрегаты или ансамбли частиц, размер которых находится в диапазоне примерно от 1 до 100 нм (или от 10 до 1000 Å). В общем случае наночастицы включают в себя кластеры или большие молекулы, состоящие из не менее, чем 50 – 100 атомов и имеющие размеры около 1 нм. К наночастица относятся также частицы, состоящие из десятков или сотен тысяч атомов (или даже больше) и имеющие диаметр от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Такие частицы на протяжении многих лет называли коллоидами, чаще всего относя это понятие к суспензиям металлических частиц в водной среде.
Различают наночастицы и наноматериалы трех-, дву-, одно- и нульмерные (3D, 2D, 1D и 0D соответственно). Дву-, одно- и нульмерные наночастицы и наноструктуры называются квантовыми ямами, квантовыми проволоками и квантовыми точками. В 2D- и 1D-структурах свободное движение носителей заряда является дву- и одномерным соответственно. В квантовых точках энергетический спектр электронов «квантуется» в трех измерениях и представляет собой, как и в случае совокупности одиночных атомов, набор дискретных уровней, разделенных зонами запрещенных состояний. Размеры квантовых точек обычно колеблются от 3 до 20 нм в зависимости от интервала между электронными уровнями и эффективной массой электрона. Таким образом, в случае несферических частиц к наноматериалам относятся материалы, наименьший структурный элемент которых хотя бы в одном измерении имеет размер в пределах 1 – 100 нм.
Рис. 1. Размеры некоторых объектов.
Наноматериалы разделяют на несколько основных разновидностей: консолидированные наноматериалы, нанополупроволники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, катализаторы, нанопористые материалы и супрамолекулярные структуры. К наноматериалам относятся также нанокристаллы и недавно открытый материал графен (получен в 2004-м году) – аллотропная форма углерода с гексагональной кристаллической решеткой, напоминающей пчелиные соты, толщиной в один атомный слой. Графен представляет собой новый класс уникальных наноматериалов. За «новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена» А.Гейму и К.Новоселову в 2010 году присуждена Нобелевская премия по физике.
|
|
Рис. 2. Типы нанокристаллических материалов:
нульмерные; 
одномерные;
двумерные; 
трехмерные
Большой класс наноматериалов составляют металлические и полупроводниковые наночастицы, а также наночастицы оксидов металлов. Они являются нульмерными, обладающими нанометровыми размерами во всех трех измерениях. Их диаметры могут изменяться примерно от одного до нескольких десятков или даже сотен нанометров. Электронные и атомные структуры таких небольших наночастиц имеют необычные свойства, которые существенно отличаются от свойств макроскопических материалов. Наночастицы могут быть аморфными или кристаллическими. Имея небольшие размеры, кристаллические наночастицы могут быть однодоменными. Наночастицы металлов, халькогенидов, нитридов и оксидов часто являются монокристаллами. Кристаллические наночастицы относят к нанокристаллам.
К консолидированным наноматериалам относятся компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемых методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий. Нанозерна этих материалов находятся не в изолированном или слабосвязанном виде, а в консолидированном состоянии. Прочность межзеренных прослоек в них довольно велика.
|
|
Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть как в изолированном, так и частично в консолидированном состоянии. Они могут образовывать также гибридные (смешанные) материалы. К указанному классу наноматериалов относятся полупроводниковые гетероструктуры, которые в последнее время получили весьма широкое распространение и нашли исключительно важные применения. За разработку полупроводниковых гетероструктур для быстродействующей электроники и оптоэлектроники Ж.И.Алферову и Г.Кремеру в 2002 году присуждена Нобелевская премия по физике.
Фуллерены, углеродные нанотрубки и другие тубулярные наноструктуры представляют широкий класс наноматериалов. Они стали интенсивно исследоваться начиная с 1985 года, когда была идентифицирована новая аллотропная форма углерода – кластеры С60 и С70, названные фуллеренами (работы Нобелевских лауреатов Н.Крото, Р.Керла и Р.Смолли), а затем обнаружены углеродные нанотрубки в 1991 году (японский ученый С.Ииджима).
Нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм. Катализаторы также один из примеров давно исследуемых и широко применяемых нанообъектов. Супрамолекулярные структуры – это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.
Перечисленные выше виды наноматериалов сильно различаются как по технологии изготовления, как и по функциональным признакам. Их объединяет только характерный малый размер частиц, зерен, трубок, пор, определяющих структуру и свойства. Минимальный размер структурных элементов составляет 0,1 – 1 нм, т.е., по существу, отвечает размерам отдельных атомов и молекул, максимальный размер – 100 нм – установлен условно.