И ОБЛАСТЯХ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Нанотехнологии и наноматериалы

12.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОМАТЕРИАЛАХ

И ОБЛАСТЯХ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Нанотехнология как междисциплинарное направление, сформировавшееся в мировой науке и технике в последние 15 – 20 лет, изучает объекты, размер которых составляет примерно 0,1 – 100 нм (1 нм = 10 ⁹ м).

"Нанотехнология" – это умение целенаправленно создавать и использовать материалы, устройства и системы из наноструктурных материалов (Определение, принятое в США).

Наноструктурными (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными, нановолокнистыми и т.д.) материалами называют материалы, основные структурные элементы которых (зерна, волокна, слои, поры) не превышают 100 нм, по крайней мере в одном направлении (У наноструктурным материалам не относят такие традиционные материалы, как дисперсионно-упрочненные сплавы, в структуре которых имеются очень мелкие частицы (в том числе и нановолокна), занимающие по объему обычно всего лишь до 5– 10 %, а также металлы и сплавы, размер блоков или локально разориентированных областей в которых достаточно мал мал, но размер исходных зерен остается значительным).

Термин «нанотехнология» впервые был использован японским ученым К.Танигучи в 1974 г. при обсуждении проблем обработки хрупких материалов.

Вместе с тем нанотехнологии и наноструктурные материалы использовались даже в глубокой древности, например, археологические находки свидетельствуют о существовании более четырех тысяч лет назад в Древнем Египте рецептур приготовления коллоидных наносистем, известных как «Китайские чернила» (Коллоидный раствор сажи в воде с добавками гуммиарабика, имеющий свойство предотвращения агломерации дисперсных частиц сажи и их оседания, что стабилизировало свойства чернил во времени).

Научные исследования нанообъектов начались в XIX в., когда М. Фарадей (1856– 1857 гг.) получил и исследовал свойства коллоидных растворов высокодисперсного (нано-) золота и тонких пленок на его основе. Отмеченное М. Фарадеем изменение цвета в зависимости от размера частиц – один из первых примеров исследования размерных эффектов в нанообъектах.

В качестве примера достижений современных нанотехнологий можно привести достижение компании IBM, которая в 1990 г., используя приставку к сканирующему туннельному микроскопу сложила аббревиатура IBM из 35 ксеноновых атомов на грани (110) никелевого монокристалла.

Методы нанотехнологии позволяют получить принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д.

Некоторые приоритетные направления нанотехнологии:

• молекулярный дизайн материалов и веществ с заданными свойствами, значительно превосходящими свойства их современных аналогов;

• нанопроцессоры с низким уровнем энергопотребления и существенно более высокой производительностью;

• небольшие по размеру запоминающие устройства с огромным (мультитерабитным) объемом памяти;

• новые лекарственные препараты и методы их введения в организм (проблемы сверхмалых доз и их адресной доставки);

• новые методы мониторинга окружающей среды и организма человека с использованием наносенсоров.

Среди наноматериалов можно выделить несколько основных разновидностей:

– консолидированные наноматериалы (пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые 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 (т.е. в виде отдельных образований) или слабосвязанном (например, наночастицы с защитными полимерными оболочками) виде, а в консолидированном состоянии. Прочность межзеренных прослоек в консолидированных наноматериалах довольно высока;

– наночастицы (или ультрадисперсные нанопорошки) – это малоразмерные твердые вещества, геометрический размер которых изменяется от десятых долей до 100 нм. Понятия «наночастицы» и «нанопорошки» во многом перекрываются. Считается, что наночастицы с уменьшением размера переходят в кластеры, содержащие от 10 до нескольких тысяч атомов (по разным данным, примерно до 2000– 10 000). Полагают также, что для кластеров, в отличие от кристаллических частиц, характерна потеря трансляционной симметрии. К наночастицам сейчас относят и полупроводниковые квантовые точки;

– нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы;

– фуллерены, нанотрубки;

– нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм. (Согласно старой номенклатуре Международного союза теоретической и прикладной химии (1972 г.) микропористые (размер пор менее 2 нм), мезопористые (размер пор 2 – 5 нм) и макропористые (поры более 5 нм);

– супрамолекулярные структуры (т.е. наномолекулярные структуры).

Рассмотренное разделение условно, например, существуют гибридные металлополимерные или биополимерные нанокомпозиты

Известно, что кристаллические решетки имеют дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Есть так называемые специфические дефекты, представляющие собой квантовые малоразмерные структуры. К ним относятся квантовые точки, проволоки,плоскости.

Квантовые точки – это пирамидки в 50-100 атомов одного материала, размещенные на монокристалле другого материала:

Рис.1. Квантовая точка

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 нескольких атомов. По этой причине вантовые точки называют также "искусственными атомами".

На квантовых точках построены, например, полупроводниковые лазеры нового поколения, основанные на гетероструктурах.

Квантовые проволоки– это совокупности квантовых точек, нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на кристаллическую подложку. Они позволяют изменять свойства кристаллов и создавать различные электропроводящие пути.

Квантовая плоскость – это многослойная твердотельная структура их топких 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 с использованием квантовых точек, проволок и плоскостей является русский ученый, академик Жорес Иванович Алферов, нобелевским лауреат 2002 г.).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: