Наноструктуры и нанотехнологии

Химия высокодисперсных систем непосредственно связана с исследованиями в области наноматериалов и нанотехнологий, которые позволяют создавать принципиально новые процессы и получать материалы с заданными свойствами.

Учитывая, что многие термины, связанные с исследованием и реализацией нанотехнологий, часто четко не определены, раскроем значение часто встречающихся. Нанотехнология − совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контро-лируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие прин-ципиально новые качества. Наноматериалы − материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуата-ционными характеристиками. Наносистемная техника − полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нано-технологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, создан-ных по традиционным технологиям.

Наносистемы можно разделить на объемные трехмерные (3D) – нанокластеры, плоские двумерные (2D) – нанопленки, линейные одномерные (1D) – нанонити (нанопроволоки), нульмерные (0D) – наноточки (квантовые точки).

Исключительные свойства наноматериалов связаны с проявлением в них размерного эффекта – зависимости свойств от количества структурных единиц в частице, т.е. от ее размера. Размерные эффекты наблюдаются при уменьшении размера частиц ниже некоторой пороговой величины. Такие эффекты появляются, когда средний размер частиц не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются при размерах менее 10 нм. Квантовые размерные эффекты проявляются в электронных свойствах вещества или материала.

Существенное изменение физико-химических свойств вещества происходит вследствие:

1) непосредственного уменьшения размера частиц;

2) вклада границ раздела фаз в свойства системы;

3) соизмеримости размера частиц с физическими параметрами, имеющими размерность длины и определяющими свойства системы (длина свободного пробега электрона, дебройлевская длина волны, размер экситона, размер магнитных доменов, и т.д.).

Для наночастиц доля атомов, находящихся в тонком поверхностном слое велика. У них, в отличие от атомов, находящихся в объеме твердого тела, задействованы не все связи. Для атомов находящихся на выступах и уступах поверхности ненасыщенность связей еще выше. В результате в приповерхностном слое возникают сильные искажения кристаллической решетки и даже может происходить смена ее типа.

Кроиме того, свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов (в первую очередь вакансий и дислокаций). При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей.

В настоящее время установлено, что деформация и разрушение материала зависят от процессов в тонком приповерхностном слое, которые определяют физико-механические свойства материала (например, предел текучести и усталости). Для наночастиц весь материал будет работать как приповерхностный слой.

В наночастицах легче проходит диффузия атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела. Наличие сил притяжения между ними часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур на поверхности. Этот используют для создания упорядоченных структур для оптики и электроники.

Размерный эффект широко распространен в гетерогенном катализе. Во многих случаях наночастицы проявляют каталитическую активность там, где более крупные частицы неактивны.

Различные отрасли промышленности и сферы человеческой деятельности являются потребителями наноматериалов. Отметим из них следующие:

1. Конструкционные материалы с повышенными механическими характеристиками (прочность и твердость): алюминиевые и циркониевые сплавы, полученные с использованием нанопорошков; наноструктурные карбидные, нитридные и боридные пленки, повышающие в несколько раз рабочий ресурс режущего инструмента и узлов трения в антифрикционных и фрикционных изделиях; углеродные нанотрубки, добавление которых в полимерные матрицы улучшает физико-механические свойства полимеров, а также повышает их огнестойкость.

2. Пористые материалы и материалы со специальными физико-химическими свойствами. К ним относятся фильтрующие материалы, сорбенты, гетерогенные катализаторы, краски, сенсоры, элементы химических источников энергии и др.

3. Материалы со специальными физическими свойствами. Данные материалы используются для изготовления проводников, полупроводников и диэлектриков, компонентов радиоэлектронных устройств различного назначения.

4. Медицинские и биологические наноматериалы. Они используются при создании новых лекарственных препаратов и методов их транспортировки по организму; при создании искусственные тканей и органов; при изготовлении стимулирующих добавок и удобрений.

Контрольные вопросы

1. Наносистемы и нанотехнологии.

2. Размерный эффект.

3. Области применения наноматериалов.