КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Общие замечания. Понятие о дисперсных системах. При переходе вещества от макроразмеров к наноразмерам происходит резкое изменение их свойств. Изменения связаны с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов.

Свойства атомов, находящихся вблизи поверхности, отличаются от свойств атомов, находящихся в объеме материала, поэтому поверхность материала можно рассматривать как особое состояние вещества. Чем больше доля атомов, находящихся на поверхности, тем сильнее эффекты, связанные с поверхностью. Большой процент атомов, находящихся на поверхности при малом числе атомов в наночастице, яляется одним из принципиальных факторов, приводящих к различию свойств наноструктур и объемных материалов.

Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частицы. Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика. По этой причине наночастицы металлов стремятся объединиться.

Произведем оценку доли поверхностных атомов в частице, состоящей из N- атомов. Пусть частица имеет сферическую форму.

Объем такой частицы можно записать в виде:

V=4/3πR³, (13-7)

где R – радиус частицы, v – объем, приходящийся на один атом.

Объем, приходящийся на один атом, можно

представить в виде:

v=4/3πr³, (13-8)

где r – средний радиус одного атома.

Тогда можно записать: V=4/3πR³=N 4/3πr³. Откуда следует, что

R= r N^1/3 = r ³√N. (13-9)

Для большинства атомов размер r равен примерно 0,1 нм=1А.

Из (2.3) легко оценить, что частица из 1000 атомов будет иметь размер порядка 1 нм.

Важной характеристикой наночастицы является площадь ее поверхности:

S=4πR² = 4πr²N^2/3 = 4π r^{2 3}√N² . (13-10)

Число атомов на поверхности N_S связано с площадью поверхности через соотношение:

S= s N_s = 4π r² N_S

где s – площадь, занимаемая одним атомом на поверхности кластера.

Рассмотрим соотношение числа атомов на поверхности к числу атомов в объеме:

σ=Ns/N = S v/s V= v/s 4πR² / 4/3πR³ =3/R v/s = 3/R 4/3πr³/4π r² =r/R,

т.е. σ =1/ ³√N. (13-11)

Так при N=100 → σ=0,25или 25%, при N=1000 → σ=0,1или 10%,

при N=10⁶ → σ=0,01 или 1%, при N=10⁹ → σ=0,001или 0,1%

Как видно из формулы (13-11), доля атомов на поверхности кластера быстро уменьшается с ростом размера кластера. Заметное влияние поверхности проявляется при размерах кластеров, меньших 100 нм. В качестве примера можно привести наночастицы серебра, которые обладают уникальными антибактерицидными свойствами. То, что ионы серебра способны нейтрализовать вредные бактерии и микроорганизмы, известно достаточно давно. Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем многие другие вещества.

Квантовые точки– это крохотные пирамидки в 50-100 атомов одного материала, размещенные на монокристалле другого материала (рис.192). 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. 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.192 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. 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 (рис.184б). 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.

Квантовые проволоки– это совокупность квантовых точек, нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на кристаллическую подложку. Они позволяют изменять свойства

кристаллов и создавать различные электропроводящие пути.

Одномерные наноматериалы. В случае одномерных тел только один размер определяет дисперсность (рис.184в). 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.193 Модель гетероструктуры

Пленки или слои, собранные из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами (рис.193). 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. Пионером в области создания приборов на таких структурах был русский ученый, академик Жорес Иванович Алферов, ставший в 2002 году Нобелевским лауреатом. Вслед за Нобелевской премией Алферов получил государственную. Его работа “Фундаментальные исследования процессов формирования и свойств гетероструктур с квантовыми точками и создание лазеров на их основе” ознаменовала первый этап нового направления, открывающего широкие перспективы.

8. ТРЕХМЕРНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

К трехмерным наноситемам относятся объемные наноматериалы (наноструктурированные материалы).

Объекты пониженной размерности, образующие наноматериалы, могут объединятся различными способами. По этому признаку, т.е. по способу объединения, различают следующие образования.

Консолидированные наноматериалы. К ним относятся компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемых методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации и др. Нанозерна этих материалов находятся в консолидированных, т.е. связанных друг с другом, состояниях.

Нанокомпозиты. Нанокомпозиты – это композиты, содержащие наноструктуры любой размерности в любых сочетаниях. Обычно наночастицы погружены в аморфную или поликристаллическую матрицу. Свойства нанокомпозита не сводятся к сумме свойств, входящих в него наночастиц. Например, резонансные линии поглощения металлических наночастиц в стеклянной матрице определяются не только диаметром наночастиц, но и взаимодействием между соседними частицами (т.е. зависят от среднего расстояния между частицами).

Нанопористые материалы. Губка и мочалка в вашей ванне- примеры пористых тел.. Мхи, лишайники, водоросли и многие другие являются пористыми материалами.

Пористые материалы характеризуются наличием большого количества пустоты в своем объеме (рис.194). Эту пустоту называют порами. Численной характеристикой пористых веществ является пористость

Р=V_пор/V 100% , (13-12)

где V_{пор -}объем пор_, V – объем материала.

Рис. 194 Снимок поверхности нанопористого материала

Для некоторых материалов Р может достигать 80-90%. Пористые материалы могут заполнять свои пустоты водой, другой жидкостью или газом. Поэтому пористые материалы применяются в качестве фильтров, сит, сорбентов. Сорбенты – вещества . которые хорошо поглощают различные газы. Так активированный уголь , используется в противогазах , или в качестве таблеток , которые Вы используете при газовыделении в Вашем желудке.