ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О НАНОМАТЕРИАЛАХ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Терминология в области наноматериалов и нанотехнологий в настоящее время только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы.
Наиболее простой и распространенный подход связан с геометрическими размерами структуры таких материалов. Согласно такому подходу, как уже упоминалось выше, материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 100 нм называют наноструктурными (или иначе нанофазными, нанокристаллическими, супрамолекулярными).
Выбор такого диапазона размеров не случаен: нижний предел считается связанным с нижним пределом симметрии нанокристаллического материала. Дело в том, что по мере снижения размера кристалла, характеризующегося строгим набором элементов симметрии, наступает такой момент, когда будет наступать потеря некоторых элементов симметрии. По данным для наиболее широко распространенных кристаллов такой критический размер равен трем координационным сферам, что для случая железа составляет около 0,5 нм, а для никеля - около 0,6 нм. Величина верхнего предела обусловлена тем, что заметные и интересные с технической точки зрения изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при снижении размеров зерен именно ниже 100 нм.
Если рассматривать дисперсный материал, состоящий из наноразмерных частиц, то нижний размерный предел таких объектов можно обосновать в результате рассмотрения изменения свойств частиц размером около одного нанометра и мене. частиц В физическом материаловедении такие частицы называют кластерами,а материалы с такими морфологическими единицами — кластерными. Кластер представляет собой группу из небольшого (счетного) и в общем случае переменного числа взаимодействующих атомов (ионов, молекул).
Кластер радиусом 1 нм содержит примерно 25 атомов, причем большинство их находится на поверхности кластера. Малые атомные агрегации-кластеры являются промежуточным звеном между изолированными атомами и молекулами, с одной стороны, и объемным твердым телом — с другой. Отличительной чертой кластеров является немонотонная зависимость свойств от количества атомов в кластере. Минимальное количество атомов в кластере равно двум. Верхней границе кластера соответствует такое количество атомов, при добавлении к которому еще одного атома свойства кластера не меняются, так как переход количественных изменений в качественные уже закончился (рис. 1.2). С химической точки зрения большая часть изменений заканчивается, когда число атомов не превышает 1000—2000.
Верхнюю границу размеров кластера можно рассматривать как границу между кластером и изолированной наночастицей. Переход от свойств изолированных наночастиц к свойствам объемных кристаллических веществ в течение многих десятилетий оставался «белым пятном», так как отсутствовало промежуточное звено — компактное тело с зернами нанометрического размера.
По геометрическому признаку наносистемы можно разделить на три группы:
- трехмерные (объемные) наночастицы, у которых все три размера находятся в наноинтервале; эти частицы имеют очень небольшой радиус
кривизны. К таким системам относятся золи, микроэмульсии, зародышевые частицы, образующиеся при фазовых переходах 1-го рода (кристаллы, капли, газовые пузырьки, сферические мицеллы ПАВ в водных и неводных средах (прямые и обратные мицеллы);
- двухмерные (тонкие пленки и слои) наночастицы, у которых только один размер (толщина) находится в наноинтервале, а два других (длина и ширина) могут быть сколь угодно велики. К этим системам относятся жидкие пленки, моно- и полислои на поверхности раздела фаз (в том числе пленки Ленгмюра—Блоджетт), двухмерные пластинчатые мицеллы ПАВ;
- одномерные наночастицы, у которых поперечный размер находится в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика. Это тонкие волокна, очень тонкие капилляры и поры, цилиндрические мицеллы ПАВ и имеющие с ними большое сходство нанотрубки.
В литературе принята следующая классификация наноматериалов:
OD — надкластерные материалы и нанодисперсии с изолированными наночастицами;
1D — нановолоконные и нанотубулярные, причем длина волокон или трубок составляет менее десятков микрон;
2D — пленки нанометрической толщины;
3D — поликристалл с нанометрическим размером зерен, в котором весь объем заполнен нанозернами, свободная поверхность зерен практически отсутствует. К трехмерным материалам относят порошки, волоконные, многослойные и поликристаллические материалы, в которых OD-, 1D-, и 20-частицы плотно прилегают друг к другу, образуя между собой поверхности раздела — интерфейсы. Получению ЗD-материалам последние 20 лет уделяют особое внимание, именно их применяют при разработке твердых сплавов, в авиастроении, водородной энергетике и других высокотехнологичных отраслях промышленности.
Таким образом, к наноматериалам относятся наночастицы, пленки с толщиной в нанометрической области и макроскопические объекты, содержащие нанокристаллы или нанопоры, размеры которых составляют 1—100 нм.
Дата добавления: 2017-01-16; просмотров: 3635;