Электрические свойства наноматериалов кратко

Обновлено: 16.05.2024

На данный момент нанотехнологическое развитие настолько важно, что является одной из государственных задач в мире. Это подтверждается ростом значимости нанотехнологий для науки и обширностью применения наноматериалов в таких областях, как энергетика, космические технологии, электро- и радиотехника, биотехнологии и в других, не менее важных.

Принимая во внимание эти факторы, считаем исследуемую тему актуальной.

Проблема. Высокий уровень заинтересованности государства данным направлением науки доказывает важность и перспективность исследований в этой сфере. Но поскольку в рамках школьного образования нанотехнологии не рассматриваются, имеет смысл изучить в данной работе не только связь нанотехнологий с физикой, а также появление новых приоритетных направлений в области физики, связанные с применением наноструктурных объектов.

Объект исследования. Наноматериалы.

Предмет исследования. Физические характеристики наноматериалов.

Цель работы. Выявление перспективных направлений нанофизики на основе анализа влияния физических процессов на характеристики и методы получения наночастиц.

Задачи.

Провести анализ информации для изучения проблемы.

Выделить основные моменты в истории зарождения нанотехнологий.

Охарактеризовать наиболее важные физические свойства, наблюдаемые у наноматериалов.

Рассмотреть вопрос о получении наноматериалов с точки зрения физики.

Выявить перспективные направления в физике с применением нанотехнологий на ближайшее десятилетие.

Подвести итоги работы, сделать выводы.

Методы анализа. Сбор и анализ статистической информации из официальных источников, вторичной информации печатных и электронных изданий.

Практическая значимость . Результаты проектной работы могут быть использованы на уроках физики, а также для общего осведомления учащихся школы.

2. Основная часть.

Нанотехнологии. Классификация наноматериалов.

Нанотехнологиями 2 принято считать совокупность технологических методов и приемов, ориентированных на изучение, проектирование и производство материалов, а также целенаправленный контроль и управление строением, возможность создавать и модифицировать объекты с размерами в нанодиапазоне (т.е. от 1 до 100нм). Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции (схождения) органического и неорганического мира с последующим созданием новых структурных материалов.

Согласно классификации И.П. Суздалева 3 наноструктурные материалы подразделяют на две группы. К первой относят изолированные и слабо взаимодействующие нанокластеры, такие как фуллерены, углеродные, молекулярные, коллоидные кластеры, а также газовые безлигандные (т.е. кластеры щелочных металлов, алюминия, ртути). Ко второй - твердотельные нанокластеры и наноструктуры, а именно, матричные нанокластеры и супрамолекулярные наноструктуры, кластерные кристаллы и фуллериты, нанокомпозиты, нанопленки и нанотрубки. Эта классификация была создана по принципу получения этих материалов, хотя особой точного разделения между ними нет.

Такое разнообразие наноструктур определяет, в первую очередь, квантовый характер наносостояния. Такие системы далеки от равновесия по причине наличия развитой поверхности. Расположение атомов вблизи поверхности отличны как геометрически, так и физически от положений в объеме кристалла.

История появления.

Зарождение идей о возможных исследованиях объектов на атомно-молекулярном уровне началось довольно давно. Но эти предположения не реализовывались в действия долгое время. Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями сделал Ричард Фейман, выдающийся американский физик, лауреат нобелевской премии. Ему удалость заметить перспективность управления материалами в диапазонах малых размеров, а также возможность создания устройств принципом молекулярного строения.

Подводя итог, достаточно давно уже были выдвинуты идеи развития данной области науки. Ученые полагали, что конструирование материалов на атомно-молекулярном уровне, в целом, не противоречит законам физики, поэтому возлагались большие надежды на физические процессы.

Физические свойства наноматериалов.

Наноматериалы, как правило, занимают промежуточное положение между микрочастицами и молекулами. Заметим, что наноматериалы также являются объектами молекулярной физики, что подтверждает наличие у них как физических, так и химических свойств.

Наноструктуры являются одним из наиболее сложных состояний конденсированной фазы. Структурные особенности наноматериалов определяются методом организации строения, связанной с изменением постоянной решетки нанокластера.

Докажем наличие физических характеристик у наноструктур на примере рассмотрения следующих свойств:

1. Механические свойства. Механические свойства материалов напрямую зависят от структуры, дефектности и состоянии межзеренных границ 7 . При уменьшении размеров у наноматериалов наблюдаются существенные изменения в значениях прочности, твердости и пластичности материалов. Например, модуль упругости (модуль Юнга) почти в 10 раз больше, чем у стали, а прочность выше примерно в 20 раз. Такие материалы обладают высокой пластичностью за счет наличия широкой сетки границ и хорошему проскальзыванию зерен на этих границах. Так же по сравнению с другими объектами, у наностуктур происходит увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости.

2. Электромагнитные свойства 8 . Уменьшение размера кластера приводит к уменьшению электропроводности. У металлических нанотрубок сопротивление незначительно и почти линейно возрастает с температурой, а у полупроводниковых наблюдается почти линейная зависимость логарифма сопротивления от обратной температуры. Также нанотрубки обладают ярко выраженным магнитосопротивлением. При приложении внешнего магнитного поля в направлении оси нанотрубки в зависимости от напряженности поля наблюдаются осцилляции электрического сопротивления (квантовомеханический эффект Ааронова-Бома). Кроме того, они обладают повышенной электронной эмиссионной способностью, что позволяет их использовать в низкотемпературных катодах.

3. Оптические свойства . Оптические свойства наноструктур не сильно отличаются от свойств кристаллических твердых тел. Но происходит существенное изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения, также увеличивается рассеивающая способность. Особенностью наноматериалов является такое оптическое свойство, как способность их взрываться при интенсивном освещении (например, при фотовспышке). Причина этого явления в том, что при фотовспышке происходит нагрев кислорода, находящегося как внутри, так и вне нанотрубок. Нагрев приводит к резкому повышению температуры внутри нанотрубок и мгновенному сгоранию. В отсутствие кислорода эффект не наблюдается 9 .

4.Термические свойства. Тепловые свойства изучены достаточно плохо. Теплопроводность углеродных наноматериалов заметно отличается от других аллотропных форм углерода. Если для алмаза и графита велика, то для фуллеренов и нанотрубок она низкая. К примеру, при комнатной температуре абсолютное значение коэффициента теплопроводности образца, заполненного нанотрубками, примерно в 60 раз меньше, чем для графита. Материалы с фуллеренами и углеродными нанотрубками обладают низкой теплопроводностью, так как имеют слабую межмолекулярную связь между молекулами фуллерена в кристалле и неупорядоченной структурой объектов, содержащих углеродные трубки. У наноматериалов также заметно уменьшение спекания на 15-20% по причине изменения спектра фононов.

5 . Химические свойства. Химические свойства включают синтез, очистку и различные формы химического модифицирования внутренней и внешней поверхностей нанотрубок 10 . Так как углеродные нанотрубки и фуллерены представляют собой каркасные структуры, они выглядят как оболочки, пустые внутри. Важнейшим свойством нанотрубок является способность поглощать и удерживать водород и другие вещества в больших количествах. Это значит, что они могут выступать как хранилищами газообразных и жидких веществ, так и служить хорошими катализаторами для многих химических реакций. Отличительной особенностью углеродных нанотрубок также является увеличение растворимости (до 20-25 %) в кислотах и понижение температур химических реакций.

4. Физические методы получения наноматериалов.

Формирование наноматериалов возможно при существенных отклонениях от исходного условия равновесия, и происходит в основном в ходе таких процессов, как фазовые превращения, химическое взаимодействие, высокие механические нагрузки, биологический синтез 11 . Важно заметить, что конечный продукт, содержащий наноматериалы, не обязательно сам является наноматериалом.

Лауреат нобелевской премии Т.Сведберг 12 предложил разделить методы получения наноструктур на две группы: диспергационные (измельчение или распыление макроскопической фазы) и конденсационные (химическая или физическая конденсация).

Новые электрические свойства наноматериалов

На микроскопических масштабах вещества ведут себя иначе. Профессор биомедицинских наук из Мичиганского университета исследовал новый случай такого поведения материала, изучение которого может привести к созданию быстрых и менее дорогих портативных диагностических устройств и раздвинуть границы в проектировании микромеханических устройств и лабораторий на микросхемах.

В макромире материалы, называемые проводниками, эффективно проводят электрический ток, а изоляторы, или диэлектрики, электричество не проводят, разве что к ним приложат очень высокое напряжение, которое вызовет пробой. В условиях экстремальных напряжений, например при ударе молнии в крышу, диэлектрик (в данном случае кровля крыши) подвергается необратимым разрушениям.

Однако, согласно данным Алана Ханта, на наномасштабе все выглядит по-другому. Его исследовательской группе удалось пропустить электрический ток через тонкую полоску стекла, не повредив при этом диэлектрик.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

По утверждению ученого, такое явление возможно только на наноуровне, в макромасштабе диэлектрик нагревается до экстремальных температур и разрушается.

На наноуровне диэлектрик становится чрезвычайно тонким, что позволяет получить его пробой при совсем небольших напряжениях. Кроме того, изолятор не будет разрушаться, поскольку при таких размерах тепло с поверхности рассеивается чрезвычайно быстро.

Проводящие нанополоски стекла, названные ученым жидкими стеклянными электродами, получают с помощью лазера, испускающего импульсы света с частотой более 1015 Гц.

Стеклянные электроды идеально подходят для использования в так называемых устройствах, которые объединяют функции целой лаборатории на одной миллиметровой или сантиметровой микросхеме. Устройства можно применять для оперативного определения заболеваний, количества вредных примесей в еде, количества отравляющих газов в воздухе и т.д. Однако эти устройства требуют наличия источника питания и сейчас для их питания используются обычные электрические провода. Вставить эти провода в миниатюрные устройства является достаточно сложной задачей для инженеров. Разработанные наноэлектроды можно встраивать непосредственно в такие устройства.

Открытие произошло случайно. Два канала в экспериментальном наножидкостном устройстве легли неправильно, но ученые заметили, что электричество все-таки проходит через устройство.

Исследователи были удивлены тем, что получили результат, противоположный общепринятому мнению о непроводящих материалах. В следующем исследовании ученым стала понятна причина такого поведения.

"Ниагара" от Sun вступает в большую жизнь

Компьютерный производитель Sun Microsystems представил серверный процессор, который позволяет достигать большей производительности при меньших энергозатратах, чем аналогичные продукты от конкурентов. UltraSparc T1 под условным названием Niagara, состоит из 8 ядер на одном чипе, при этом каждое ядро может управлять максимуми четырьмя задачами одновременно. По словам представителей компании, система на базе такого чипа будет представлена уже к концу этого года. Новый процессор потребляет в среднем 70 Вт, что намного меньше 150 -200 Вт конкурентных чипов от Intel или IBM. , — сообщил Фред Когут, вице-президент по маркетингу подразделения масштабируемых систем фирмы Sun. .

Компания Sun также позиционирует свой прцессор как . Если все сервера в мире заменить серверами UltraSparc T1, которых потребуется в два раза меньше, по снижению количества выделяемого углекислого газа это будет равносильно посадке 1 млн. деревьев. , говорит президент Sun Джонатан Шварц. Большинство производителей поцессоров уже представили процессоры с более чем одним вычислительным блоком на одном чипе. Такие высокопроизводительные чипы также являются мультиядерными, позволяя обрабатывать более чем одну задачу одновременно, что приводит к повышению производительности.

При успехе проекта UltraSparc T1 может способствовать расширению традиционного бизнеса Sun в продаже серверов на базе их собственных процессоров Sparc и собственной ОС Solaris. Компания переживает спад после технологического бума 2000 года, так как пользователи предпочитают менее дорогие системы на базе процессоров Intel и менее дорогое или вообще бесплатное ПО.

После нескольких лет оттачивания своей стратегии, Sun теперь предлагает широкий выбор серверов, в том числе серверов на базе процессоров Opteron AMD. Sun также поддерживает теперь большое число ОС, включая недавно обновленное ПО Solaris. Чипы UltraSparc T1 впервые будут использованы в серверах Sun Fire, которые должны появиться до конца 2005 года. Подробности ценовой политики пока не раскрываются.

История развития нанотехнологии

Немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне (1981 г.), Позже они получили за эту разработку Нобелевскую премию. Сканирующий атомно-силовой (АСМ) микроскоп еще больше расширил типы исследуемых материалов (1986 г.).

В 1985 году Роберт Керл, Харольд Крото, Ричард Смолли открыли новый класс соединений — фуллерены (Нобелевская премия, 1996 год).

В 1988 году независимо друг от друга французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) (в 2007г. присуждена Нобелевская премия по физике), после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи. Открытие ГМС стало основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных масштабах начала изготавливать спинтронных приборы — головки для считывания магнитной информации на основе ГМС размерами 10-100 нм.

ГМС, или, иначе, гигантское магнетосопротивление (англ. giant magnetoresistance сокр., GMR) — представляет собой эффект изменения электрического сопротивления образца под действием магнитного поля (преимущественно в гетероструктурах и сверхрешетках), отличающееся от магнетосопротивления масштабом эффекта (возможно изменение сопротивления на десятки процентов, в отличие от магнетосопротивления, когда изменение сопротивления не превышает единиц процентов). Его открытие сделало возможным разработку современных носителей информации для компьютеров — накопителей на жестком магнитном диске (HDD)

1991 год ознаменовался открытием углеродных нанотрубок японским исследователем Сумио Ииджимою.

В 1998 году впервые создан транзистор на основе нанотрубок Сизом Деккером (голландский физик). А в 2004 году он соединил углеродную нанотрубку с ДНК, впервые получив полноценный наномеханизм, открыв тем самым путь к развитию бионанотехнологии.

2004 год — открытие графена, за исследования его свойств А. К. Гейму и К. С. Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике. Известные фирмы IBM, Samsung финансируют научные проекты с целью разработки новых электронных устройств, смогли бы заменить кремниевые технологии.

Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов

1 нанометр (нм) = 10 -9 метра.

На сегодня основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.

получения наноматериалов с заданной структурой и свойствами;
применения наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств;
контроль (исследования) структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.

Существует два основных подхода к нанопроизводства: сверху вниз и снизу вверх . Технология сверху вниз заключается в измельчении материала, имеющего большие размеры (массивный материал), до наноразмерных частиц. При подходе снизу вверх продукты нанопроизводства создаются путем выращивания (создания) их из атомного и молекулярного масштабов.

Производство на наноуровне известно как нанопроизводств — предусматривает масштабные мероприятия, создание надежного и экономически эффективного производства наноразмерных материалов, конструкций, устройств и систем. Оно предусматривает исследования, разработки и интеграции технологий сверху вниз и более сложную — снизу вверх или процессы самоорганизации.

Наноматериалы — это дисперсные или массивные материалы (структурные элементы — зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и имеющие качественно новые свойства, функциональные и эксплуатационные характеристики, которые проявляются вследствие наномасштабных размеров.

Все вещества в начальном состоянии или после определенного обработки (измельчения) имеют разную степень дисперсности, размер составляющих частиц можно не увидеть невооруженным глазом.

Объекты с размерами в пределах 1-100 нм принято считать нанообъектами , но такие ограничения являются весьма условными. При этом данные размеры могут касаться как всего образца (нанообъектом является весь образец), так и его структурных элементов (нанообъектом является его структура). Геометрические размеры некоторых веществ приведены в таблице.

Основные преимущества нанообъектов и наноматериалов состоит в том, что за малых размеров в них проявляются новые особые свойства, не характерные этим веществам в массивном состоянии.

Классификация вещества в зависимости от степени дисперсности

состояние вещества	раздробленность вещества	Степень дисперсности, см -1	Число атомов в частице, шт.
макроскопическое	грубодисперсная	10 0 -10 2	> 10 18
Средство наблюдения: невооруженный глаз
микроскопическое	тонкодисперсная	10 2 -10 5	> 10 9
Средство наблюдения: оптический микроскоп
коллоидное	ультрадисперсных	10 5 -10 7	10 9 -10 2
Средство наблюдения: оптический ультрамикроскоп, электронный и сканирующий зондовый микроскоп
Молекулярное, атомное и ионное	Молекулярная, атомная и ионная	> 10 7	2
Средство наблюдения: микроскоп с высоким разрешением (
пример	геометрический размер
наномир	атом водорода	0,18 нм
Сечение молекулы ДНК	2 нм
Длина видимого света	400-700 нм
микромир	пыль	800 нм
Эритроцит (диаметр)	7,2 мкм
макромир	Толщина компакт-диска	1,2 мм
насекомые	4-10 мм

Нанообъекты одномерные (1D) — углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода, то есть цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере на порядок превышает два других.

Нанообъекты двумерные (2D) — покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности массивного материала (подложке). В этом случае только одно измерение — толщина должна нанометровые размеры, два других являются макроскопическими.

Особые свойства наноматериалов

В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера, но при переходе к наномасштабу все меняется, включая цвет материала, точку плавления и химические свойства. В нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными. Твердость нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерных размеров увеличивается в несколько раз, а прочность на растяжение возрастает в 5 раз. Температура плавления кластеров (более 1000 атомов) золота становится такой же как и для объемного золота. Добавление наноструктурированного алюминия в ракетное топливо радикально меняет его скорость сгорания. Теплопроводность моторного масла существенно возрастает при добавлении многослойных углеродных нанотрубок.

Так, в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, то есть доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от тех, что находятся в объеме и связанных с соседними атомами.

Экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях для нанопорошков, свидетельствуют, что в большинстве случаев чувствительность к возгоранию от электрической искры, сталкивания или механического трения и интенсивность горения возрастают при уменьшении размера частиц в пылевом облаке (и соответственно при увеличении удельной поверхности).

Если металлические частицы имеют размеры порядка мкм — нм, то их минимальная энергия воспламенения (МЭЗ) значительно уменьшается и составляет менее 1 мДж (это нижняя граница чувствительности аппарата, который обычно используется для измерения МЭЗ). Была изучена зависимость размеров частиц Al, полиэтилена и оптического отбеливателя от МЭЗ. Результаты по огнеопасности Al приведены в таблице. Согласно полученным данным, максимальное давление взрыва P_max возрастает при переходе в нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.

Концепция нанотехнологии впервые была введена в научную практику американским физиком и лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом в 1959 году. Последующее развитие науки и техники подтвердило актуальность теории Фейнмана – наноматериалы стали одним из ключевых разделов современного материаловедения. Фейнман описал также своё видение использования машин, предназначенных для создания оборудования меньших размеров вплоть до молекулярного уровня.

В определении японского учёного Норио Танигучи, нанотехнология состоит из целенаправленной совокупности методов обработки, разделения, консолидации и деформации вещества на уровне и с помощью одного атома или одной молекулы.

Структура нанокристаллических материалов

Продукты нанотехнологий с типичным размером зерна менее 100 нм благодаря своим новым свойствам и разнообразным возможностям применения привлекает возрастающий интерес во всем мире. Эти структуры традиционно подразделяются на:

одномерные (или слоистые);
двумерные (стержневые или проволочные);
трёхмерные (или равноосные).

Одно- и и двумерные структуры широко исследуются для нанесения покрытий в электронных компонентах, а с трёхмерными равноосными структурами ведутся эксперименты по их использованию в объёмных изделиях. Из-за небольшого размера зерна и, как следствие, большой объёмной доле атомов на границах зерен (или вблизи них), наноматериалы демонстрируют свойства, которые часто превосходят свойства обычных крупнозернистых материалов.

Установлено, что структура кристаллитов по существу такая же, как у крупнозернистых наноматериалов, с той разницей, что параметры решётки в нанокристаллическом состоянии немного увеличены (от 0,2% до 0,8%). Впрочем, это касается только изделий, которые получены путём кристаллизации аморфной фазы.

Имеется два предположения относительно структур границ зёрен - одно предполагает наличие газоподобного беспорядка на границах другое - что структура границ зерен одинакова как в нанокристаллических, так и в крупнозернистых материалах. Последнее предположение получило более широкое признание.

Классификация наноматериалов

Большинство современных нано материалов можно разделить на четыре типа:

Продукты на углеродной основе;
Материалы на основе металлов;
Дендримеры;
Композиты.

Продукты на основе углерода состоят в основном из углерода, чаще всего принимающего форму полых сфер, эллипсоидов или трубок. Сферические и эллипсоидальные углеродные наноматериалы называют фуллеренами, а цилиндрические - нанотрубками. Эти частицы имеют множество потенциальных применений, в том числе улучшенные плёнки и покрытия, более прочные и легкие материалы, а также приложения в электронике.

Материалы на основе металлов включают квантовые точки, нанозолото, наносеребро и оксиды металлов, например, диоксид титана. Квантовая точка представляет собой плотно упакованный кристалл полупроводника, состоящий из сотен или тысяч атомов, размер которого составляет от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. При изменении размера квантовых точек их оптические свойства также меняются.

Дендримеры -это наноразмерные полимеры, состоящие из разветвлённых элементов. Поверхность дендримера имеет многочисленные концы цепей, которые можно приспособить для выполнения определенных химических функций, в частности, при проведении реакций катализа. Поскольку трёхмерные дендримеры содержат внутренние полости, в которые могут быть помещены другие молекулы, они могут быть полезны для доставки лекарств.

Композиты объединяют одни наночастицы с другими, превращаясь в крупногабаритные сыпучие продукты. Например, наноразмерные глины уже добавляются к различным продуктам - от автомобильных запчастей до упаковки – с целью улучшения механических, термических, барьерных и огнестойких свойств.

Способы получения

Производственные подходы к синтезу различных наноструктур подразделяются на две категории: нисходящие и восходящие, которые различаются по степени качества, скорости и стоимости.

Нисходящий подход - это, по сути, разделение сыпучих веществ для получения наноразмерных частиц. Этого можно достичь, используя передовые методы, такие как точное машиностроение и литография, которые были разработаны и оптимизированы промышленностью в течение последних десятилетий.Точное машиностроение поддерживает большую часть микроэлектронной промышленности на протяжении всего производственного процесса, а высокая производительность может быть достигнута за счет использования комбинации улучшений. К ним относятся использование передовой наноструктуры на основе алмаза или кубического нитрида бора и датчиков для контроля размера в сочетании с числовым программным управлением и передовыми технологиями сервоприводов. Литография включает в себя формирование рисунка на поверхности посредством воздействия света, ионов или электронов и осаждение материала на эту поверхность для получения желаемого результатаа.

Технология наноматериалов базируется на основе синтеза, при этом исходный образец может находиться в парообразном, жидком или твёрдом состоянии. Исторически первым методом, который был использован для синтеза нанокристаллических металлов и сплавов был метод конденсации инертного газа, при которой испаряющееся вещество закаливается на холодную подложку.

Впоследствии также использовались плазменная обработка и другие методы физического и химического осаждения из паровой фазы. При электроосаждении и быстром затвердевании в качестве исходного сырья используется жидкое состояние веществ.

Механическое легирование, сварка трением с перемешиванием, сильная пластическая деформация, искровая эрозия, износ при скольжении и многократная холодная прокатка также приводят к образованию нанокристаллических структур. Некоторые из этих методов используются в достаточно крупных производственных масштабах для конденсации инертного газа, расположения электродов и при механическом легировании

Остальные пока не вышли из стадии лабораторных исследований.

Выбор метода синтеза нанокристаллических материалов определяется следующими факторами:

Простотой процесса;
Его экономической целесообразностью;
Масштабируемостью;
Желаемой чистотой конечного продукта.

Большинство упомянутых технологий производят нанокристаллическую заготовку в форме порошка. Применение таких структур требует, чтобы порошки были уплотнены до максимально возможных значений, когда пористость практически отсутствует. Уплотнение с полным связыванием частиц требует воздействия на порошок высоких температур и давлений в течение продолжительных периодов времени, что приводит к укрупнению микроструктурных особенностей. Однако сохранение материала в сверхплотном состоянии возможно лишь при условии, что порошок не подвергается воздействию высоких температур в течение длительных периодов времени. Таким образом, успешное уплотнение до полной плотности требует инновационных методов уплотнения.

Известно, что рассматриваемые вещества имеют преобладающую долю атомов на границах зерен, поэтому эффективный коэффициент диффузии нанокристаллических материалов намного выше, чем у крупнозернистых структур того же состава. Это будет способствовать достижению полной консолидации наноматериалов при температурах на 300…400 ° C ниже, чем те, которые требуются для крупнозернистых материалов. Успешное уплотнение нанокристаллических порошков может достигаться:

Электроразрядным уплотнением;
Плазменным спеканием;
Ударным (взрывным) уплотнением;
Горячим изостатическим прессованием;
Гидростатической экструзией;
Прокаткой предварительно напряжённого порошка.

Уплотнение не требуется, если порошок может использоваться в исходном состоянии, например, в виде суспензии.

Свойства наноматериалов

При выяснении свойств данных веществ решающим фактором оказывается их термоустойчивость. Из-за своего малого размера зерна, нанокристаллические материалы с большой площадью поверхности обладают сильной потенциальной энергией роста зёрен. Знание термической стабильности важно как по научным, так и по технологическим причинам. С технологической точки зрения термостойкость важна для консолидации нанокристаллического порошка без огрубления микроструктуры. С научной точки зрения было бы полезно проверять, отличается ли поведение роста зёрен в нанокристаллических материалах от подобных процессах, протекающих в крупнозернистых структурах.

Энергию активации роста зёрен в нанокристаллических материалах обычно сравнивают с энергией активации решёточной, либо межзёренной диффузии в крупнозернистых веществах. Отмечено, что энергия активации роста зерен в нанокристаллических материалах более выгодна по сравнению с межзёренной диффузией. При этом рост зёрен в нанокристаллических материалах, полученных любым способом, очень мал до достаточно высокой температуры. Это сопротивление росту зёрен объясняется такими факторами, как узким распределением зёрен по своим размерам, равноосной морфологией зёрен, низкоэнергетической границей зёрен.

Из-за очень маленького размера зерна и, как следствие, высокой плотности поверхностей раздела, нанокристаллические материалы обладают множеством свойств, которые отличаются (и часто превосходят) от свойств обычных крупнозернистых образцов. К ним относятся:

Повышенная прочность/твёрдость;
Повышенный коэффициент диффузии;
Повышенная пластичность/вязкость;
Уменьшенный модуль упругости;
Повышенное удельное электрическое сопротивление;
Повышенная удельная теплоемкость;
Более высокие значения коэффициента теплового расширения;
Более низкая теплопроводность;
Отличные магнитомягкие свойства.

Следует отметить, что первые результаты исследования свойств нанокристаллитов не очень надёжны, в основном из-за значительной пористости, присутствующей в исследуемых образцах. Например, в керамических образцах при комнатной температуре не удаётся воспроизвести пластичность. Некоторые исследователи утверждают, что коэффициент теплового расширения увеличивается с уменьшением размера зерна. В то же время другие сообщают о том, что данный параметр примерно одинаков как для нанокристаллических, так и для крупнозернистых материалов. Аналогичным образом, уменьшение модуля упругости может быть связано с пористостью и трещинами, присутствующими в консолидированном продукте.

Таким образом, важно сравнивать между собой свойства только полностью плотных материалов, не имеющих пористости, трещин или неоднородностей.

Наиболее важными для практического применения являются механические свойства. Достоверно устанавливать их сложно из-за отсутствия достаточно больших и бездефектных образцов, необходимых при испытаниях. Поэтому наиболее распространенным показателем для оценки механических свойств нанокристаллических материалов является твёрдость.

В результате испытаний установлено, что увеличение твёрдости и предела текучести связано с уменьшением размера зерна. Поскольку существующие экспериментальные методики разработаны на основе активности дислокаций в крупнозернистых образцах, допустимо считать, что в нанокристаллических материалах активность дислокаций минимальна и, следовательно, упрочнения не происходит. Приравнивая силу отталкивания дислокаций к приложенному усилию силе, можно вычислить критический размер зерна, ниже которого будет наблюдаться размягчение размера зерна. По расчетам, это значение составляет около 10…30 нм для большинства материалов.

Прочность нанокристаллитов намного выше, чем у крупнозернистых материалов. Однако другой подход к синтезу высокопрочных продуктов, по-видимому, заключается в создании нанокристаллических композитов с частицами, размерная фаза которых диспергирована в аморфной матрице. Это может быть достигнуто путём получения полностью аморфной фазы такими методами, как быстрым затвердеванием из расплава, механическим легированием, а также низкотемпературной первичной кристаллизацией, которая воздействует на образование нанокристаллической фазы.

Области применения

При существующем уровне развития науки и техники наноматериалы характеризуются нестабильностью свойств. Например, в зависимости от способа получения исходного образца прочность нанокомпозитов намного выше, чем их аморфных аналогов того же химического состава.

Широкое использование и поиск технологических приложений требуют экономичного производства хорошо изученных нанокристаллитов в промышленных масштабах и с воспроизводимыми свойствами.

В настоящее время нановещества используются:

При производстве очков, устойчивых к царапинам;
Стойких к растрескиванию красок;
Прочных настенных покрытий;
Прозрачных солнцезащитных кремов;
Пятноотталкивающих тканей;
Самоочищающихся окон;
Керамических покрытий для солнечных батарей.

Наноматериалы, которые используются в качестве наполнителя в шинах, могут улучшить сцепление с дорогой, уменьшая тормозной путь во влажных условиях, а жёсткость кузова автомобиля можно повысить за счет использования стали, упрочненной нановеществами. Новые методы гель-напыления позволяют экономично наносить просветляющие слои диоксида кремния или других материалов нанометровой толщины на дисплеи или панели. Ультратонкие прозрачные слои на серебряной основе можно использовать для обогреваемых оконных стекол, которые очищаются от запотевания и льда.

Установлено, что использование нанотехнологий перспективно в производстве, переработке, обеспечении безопасности и упаковке пищевых продуктов. Не исключено, что нанотехнологии позволят манипулировать молекулярными формами пищевых продуктов, чтобы обеспечить больше возможностей повышения качества и пищевой ценности, а также более низкие затраты.

Читайте также: