Методы получения наноматериалов реферат

Обновлено: 04.07.2024

Наноструктурированные материалы – одна из важнейших целей нанотехнолологии на современном этапе. Наноструктурами называются объекты, которые хотя бы в одном направлении имеют размер от 1 до 100 нМ. Наноматериалы – макроскопические материалы, свойства которых определяются наличием наноструктур.
Наноструктурированные материалы имеют улучшенные характеристики по сравнению с ненаноструктурированными материалами того же назначения. В большинстве случаев использование наноструктур вместо микроструктур, применяемых в материалах до последнего времени, приводит к улучшению свойств материала.

Работа состоит из 1 файл

Реферат(Хим).docx

на тему: Химические методы получения наноструктурированных материалов

Выполнили: Сычов А. В.

В последние годы исследование субмикронных и нано материалов получило быстрое развитие благодаря существующим и/или потенциальным применениям во многих технологических областях, таких как электроника, катализ, магнитное сохранение данных, структурные компоненты и т.п.

Наноструктурированные материалы в настоящее время широко применяются в качестве конструкционных элементов и функциональных слоев в современных микроэлектронных устройствах, деталях авиакосмической техники, в качестве твердых износостойких покрытий обрабатывающей промышленности. Чтобы удовлетворить технологические требования в указанных областях, размер структурных элементов необходимо уменьшить до субмикронного или нанометрового масштаба. При уменьшении размера структурного элемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют, отличные от массивного, новые физико-механические свойства. Изучение наноразмерных структур (наноструктур) относится к направлению нанотехнологии. Важными составляющими этого научно-технического направле ния являются разработка и изучение наноструктурных материалов, исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях.

Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными и т.д.) принято понимать материалы, структурные элементы (зерна, кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают нано технологической границы – 100 нм (1 нм = м), по крайней мере, в одном пространственном направлении.

Получение наноструктурных материалов в настоящее время осуществляют специально разработанными технологическими методами. Некоторые из них будут рассмотрены в данной работе.

Химические методы получения наноструктурированных материалов.

Существуют несколько направлений химических методов создания наноструктур:

химическое травление;
электрохимическое осаждение;
электрохимическое анодирование,
создание коллойдных наночастиц и наноструктур.

Каждое из направлений имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Химическое травление.

Травление - химическое, удаление части поверхностного слоя монокристалла , заготовки или изделия с помощью хим. реакций. Проводится с использованием растворов, расплавов , газов (газовое травление) или активированных газов (напр., плазмо-мохимическое травление).

Для целей микротехнологии разработаны процессы травления Si.

Травление кремния включает стадию окисления

Si + [O] → Si + 14ккал/моль

и последующее травление Si :

6HF + Si → Si + O - 11ккал/моль

В травителе HF/HN происходит реакция

Si+2HN +6HF → Si + 2HN + 2O+125ккал/моль

Для растворения каждого атома Si требуется две молекулы HN и шесть молекул HF. Если реакция контролируется диффузией, то максимальная скорость травления должна достигаться при молярном соотношении HN и HF, равном 1:3.

При изотропном травлении кремния используются маски из нетравящихся металлов Si3N4 или SiO2 (иногда для неглубокого травления). Резист используется редко, так как HF¾HNO3 быстро проникает через пленку. Для травления кремния использовались также щелочные травители

Si + 2OH- + H2O → SiO2 + 2H2

Щелочные реагенты являются в основном анизотропными травителями с преимущественным воздействием на кристаллографические плоскости с малыми индексами. Причина выбора (100) - ориентированного среза кремния для анизотропного травления заключается в том, что это единственная из основных плоскостей, в которой плоскости (110), (111), (100) и (211) пересекаются с регулярной симметрией. Поэтому эта ориентация наиболее предпочтительна при травлении глубоких канавок в кремнии.. В направлении скорость травления в 100 раз выше, чем в направлении . На рис. 1 показан пример преимущественного травления канавки в пересечении 110/100/111 смесью KOH изопропанола при 85°С. KOH и изопропанол являются травителями с соотношением скоростей травления 55:1 для направлений и .

При добавлении к травителю спиртов, которые адсорбируются преимущественно на плоскости (111), можно осуществить анизотропное травление в других направлениях.

Рис. 1. преимущественное травление кремния вдоль

кристаллографических направлений и .

Рис. 2. Анизотропное и жидкостное травление эпитаксиального кремния.

Электроосаждение

Существует 2 вида электроосаждения:

Electroplating: проводящая подложка помещается в электролит и служит электродом; при приложении потенциала на нем за счет реакций окисления-восстановления происходит осаждение материала; обычно этот процесс сопровождается также выделением газов на электродах. Толщина контролируется по прошедшему заряду (закон Фарадея)
Electroless plating: Подложка помещается в более сложный раствор; за счет большой разности электрохимических потенциалов на нем спонтанно происходит осаждение материала; приложение внешнего потенциала не требуется. Толщина и однородность контролируется независимыми способами.

Для создания наноматериалов электоосаждение проводят по шаблону. В этом случае шаблон служит катодом или анодом в электрохимической ячейке. С помощью шаблона можно получить любые конфигурации, задаваемые им.

Схема установки для электоосаждения:

Пористая мембрана – шаблон, может быть как металлической, так и не металлической.

Рис.3 Схема установки для осаждения

Шаблоны могут быть 2х типов:

Шаблон с активной помощью элктроосаждению.
Шаблон ограничивающий осаждение на подложку.

1.Формирование структуры следует из роста зерен, которые неизменно образуют затравку в отверстиях и дефектах основания электрода. Последующий рост этих ядер в шаблоне приводит к желаемой морфологии поверхности. Которую можно создать выбирая соответствующую поверхность электрода .

Рис 4. Шаблон с активной помощью

2.На основание ложится непроводящий шаблон (например нанопористый оксид алюминия). Осаждение на подложку осуществляется только в порах шаблона, что позволяет создавать наноразмерные частицы, провода, волокна.

Рис. 5. Процесс электроосаждения через шаблон.

Электрохимическое анодирование

С помощью электрохимического анодирования можно получить, такие наноструктуры, как пористый кремний, пористый оксид алюминия .

Рассмотрим процесс создания пористого кремния.

Поверхность Si при контакте с водными растворами HF насыщается водородом и становится химически инертной по отношению к электролиту. Если на электроды подать разность потенциалов, то дырки в кремниевой пластине начинают мигрировать к поверхности раздела кремний–электролит. При этом атомы Si освобождаются от блокирующего их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и переходят в раствор. Если электролиз проводят при высокой плотности тока, то к поверхности электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплошным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si. Поскольку микровыступы имеют большую поверхность, чем ровные участки, то они растворяются быстрее. Таким образом, поверхность кремниевого анода постепенно выравнивается. Это и есть режим электрохимической полировки.

Если же электролиз проводить при низкой плотности тока, то количества дырок не хватает для организации сплошного фронта и поэтому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Согласно различным моделям, зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, механически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля поверхности. С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электрода за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше.

Очевидно, что в кремнии n- и p-типа количество дырок различно и поэтому процессы порообразования

в n-Si и p-Si имеют свои особенности. В p-Si дырки являются основными носителями заряда и их концентрация составляет 10 14 –10 18 см −3 . В этом случае, как правило, формируются поры нанометровых размеров. Тонкая высокопористая структура типа губки показана на рис. 3,а. В n-Si, где основными носителями заряда являются электроны, концентрация дырок крайне мала(10 2 –10 6 см −3 ). Необходимое минимальное количество дырок можно получить за счет фотогенерации (при подсветке Si-электрода) или за счет лавинной генерации (при анодировании в области высоких напряжений). Полученная структура пор существенно отличается от предыдущей и характеризуется наличием пор достаточно большого диаметра.

Пористый кремний подразделяется на микропористый (R 50 нм).

Основным параметром любого пористого материала является показатель пористости П. Он определяет, какая доля объема материала занята порами. Для пористого кремния значения пористости могут находиться в необычайно широком интервале от 5 до 95%(!). Когда объем, занимаемый порами, невелик (5%), свойства такого материала близки к свойствам кристаллического кремния. При высоких показателях пористости картина существенно изменяется и такой пористый кремний проявляет новые свойства, многие из которых являются уникальными. В заключение сказанного необходимо отметить, что пористая структура кремния может быть получена и другими способами, например при лазерном распылении кремния и его осаждении на расположенную рядом подложку (метод лазерной абляции).

2. Методы получения наноматериалов…………………………………. 4 стр.

3. Классификация методов получения наноматериалов……………… 5 стр.

4. Метод интенсивной пластической диформации………………………6 стр.

5. Основные методы получения наноматериалов………………………..7 стр.

6. Список использованной литературы………………………………… 8 стр.

Вступление

Наномасштаб подразумевает порядок размеров между 1 и 100 на- нометрами (1 нм = 10-9 м = 10-6 мм = 10-3 мкм). На рис. 1.1 приведены раз- меры некоторых естественных и искусственных созданий природы в диа- пазоне размеров от 10 м до 1 А.

Нанотехнология – междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространст- венных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых мо- лекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физи- ческими, химическими и биологическими свойствами.

Нанотехнология – это также совокупность методов и приемов, обес- печивающих возможность контролируемым образом создавать и модифи- цировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм.

Методы получения наноматериалов

К настоящему времени разработано большое количество методов и

способов получения наноматериалов. Это обусловлено разнообразием состава и

свойств наноматериалов, с одной стороны, а с другой – позволяет расширить

ассортимент данного класса веществ, создавать новые и, уникальные образцы.

Формирование наноразмерных структур может происходить в ходе таких

процессов, как фазовые превращения, химическое взаимодействие,

рекристаллизация, аморфизация, высокие механические нагрузки,

биологический синтез. Как правило, формирование наноматериалов возможно

при наличии существенных отклонений от равновесных условий существования

вещества, что требует создания специальных условий и, зачастую, сложного и

2.Основные требования к методам получения наноматериалов.

Совершенствование ранее известных и разработка новых методов

получения наноматериалов определило основные требования, которым они

должны соответствовать, а именно:

· метод должен обеспечивать получение материала контролируемого

состава с воспроизводимыми свойствами;

· метод должен обеспечивать временную стабильность наноматериалов, т.е.

в первую очередь защиту поверхности частиц от самопроизвольного

окисления и спекания в процессе изготовления;

· метод должен иметь высокую производительность и экономичность;

· метод должен обеспечивать получение наноматериалов с определенным

размером частиц или зерен, причем их распределение по размерам должно

быть, при необходимости, достаточно узким.

Следует отметить, что в настоящее время не существует метода,

отвечающего в полной мере всей совокупности требований. В зависимости от

способа получения такие характеристики наноматериалов, как средний размер и форма частиц, их гранулометрический состав, величина удельной поверхности,

содержание в них примесей и др., могут колебаться в весьма широких пределах.

Например, нанопорошки в зависимости от метода и условий изготовления могут иметь сферическую, хлопьевидную, игольчатую или губчатую форму; аморфную

Нанотехнология как область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования и анализа. Механическое воздействие при измельчении материалов. Метод "песочных часов".

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	29.06.2014
Размер файла	19,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Сотовая связь, сеть подвижной связи

Частица (Элементарная частица)

Микробы или Микроорганимзмы

Нанотехнология -- область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Основой всех нано технологий является способность четырехвалентных элементов (чаще всего углерода) образовывать многоатомные, а затем и многомолекулярные структуры. Такие структуры чаще всего обладают специфическими (в зависимости от состава, формы полученной молекулы и других ее параметров) свойствами, не присущими никаким другим известным соединениям, что делает их такими интересными для науки и открывает огромные области для применения наномолекул и в целом нанотехнологий. нанотехнология техника материал

Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей.

В свою очередь способность четырехвалентных элементов, например, углерода, образовывать четыре связи с другими атомами объясняется с точки зрения физики наличием четырех валентных электронов на внешнем энергетическом уровне.

Конечно, следует сказать, что такое объяснение не совсем раскрывает вопрос и является скорее химическим, а не физическим. Но если капнуть дальше можно увидеть что в основе всего лежит физическое явление, которое объясняет образование связей между атомами.

Так же заметим, современное описание химической связи проводится на основе именно квантовой механики которая является разделом физики. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Такое взаимодействие называется электромагнитным.

Методы получения наноматериалов делятся на механические, физические, химические и биологические. Т.е. в основе данной классификации лежит природа процесса синтеза наноматериалов. В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации, кавитационные процессы и т.п. Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава и т.п. (Для полноты классификации и для справки) К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах.

Механические методы Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, т.е. возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходят не в течение всего времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц и в короткое время после него. Механическое воздействие является также и локальным, так как происходит не во всей массе твёрдого вещества, а там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений. Благодаря импульсности и локальности в небольших областях материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в материале дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин. В результате происходит измельчение вещества, ускоряется массоперенос и перемешивание компонентов, активируется химическое взаимодействие твёрдых реагентов. В результате механического истирания и механического сплавления может быть достигнута более высокая взаимная растворимость некоторых элементов в твёрдом состоянии, чем возможна в равновесных условиях. Размол проводится в шаровых, планетарных, вибрационных, вихревых, гироскопических, струйных мельницах, аттриторах. Измельчение в этих устройствах происходит в результате ударов и истирания.Разновидностью метода механического измельчения является механохимический способ. При тонком измельчении смеси различных компонентов между ними ускоряется взаимодействие. Кроме того, возможно протекание химических реакций, которые при контакте, не сопровождающемся измельчением, вообще не происходят при таких температурах. Эти реакции называются механохимическими. С целью формирования наноструктуры в объемных материалахиспользуют специальные механические схемы деформирования, которые позволяют достичь больших искажений структуры образцов при относительно низких температурах.Соответственно, к интенсивной пластической деформации относятся следующие методы:

- кручение под высоким давлением;

- равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование);

- метод всесторонней ковки;

- равноканальная угловая вытяжка (РКУ-вытяжка);

- метод интенсивного трения скольжением.

В настоящее время большинство результатов получено первыми двумя методами. В последнее время разрабатываются методы получения наноматериалов с использованием механического воздействия различных сред. К этим способам относятся кавитационно-гидродинамический, вибрационный способы, способ ударной волны, измельчение ультразвуком и детонационный синтез.

Измельчение ультразвуком также основано на расклинивающем действии кавитационных ударов. В основе вибрационного метода получения наноматериалов лежит резонансная природа эффектов и явлений, которые обеспечивают минимальные энергозатраты при проведении процессов и высокую степень гомогенизации многофазных сред. Принцип действия заключается в том, что какой-либо сосуд подвергается вибрационному воздействию с определённой частотой и амплитудой.

Наночастицы алмаза можно получать детонационным синтезом. В способе используется энергия взрыва, при этом достигается давление в сотни тысяч атмосфер и температуры до нескольких тысяч градусов. Эти условия соответствуют области термодинамической устойчивости фазы алмаза. К физическим методам получения УД материалов относятся методы распыления, процессы испарения-конденсации, вакуум-сублимационная технология, методы превращений в твёрдом состоянии.

Метод распыления струи расплава жидкостью или газом заключается в том, что тонкая струя жидкого материала подается в камеру, где разбивается в мелкие капли потоком сжатого инертного газа или струей жидкости. В качестве газов в этом методе используют аргон или азот; в качестве жидкостей - воду, спирты, ацетон, ацетальдегид. Формирование наноструктур возможно способом закалки из жидкого состояния или спиннингованием. Способ состоит в получении тонких лент с помощью быстрого (не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана.

Физические методы. Методы испарения-конденсации основаны на получении порошков в результате фазового перехода пар - твёрдое тело или пар - жидкость - твёрдое тело в газовом объёме либо на охлаждаемой поверхности.

Сущность метода состоит в том, что исходное вещество испаряется путём интенсивного нагрева, а затем резко охлаждается. Нагрев испаряемого материала может осуществляться различными способами: резистивным, лазерным, плазменным, электрической дугой, индукционным, ионным. Процесс испарения-конденсации можно проводить в вакууме или среде нейтрального газа. Электрический взрыв проводников проводят в аргоне или гелии при давлении 0,1 - 60 МПа. В этом методе тонкие проволочки металла диаметром 0,1 - 1 мм помещают в камеру и импульсно подают к ним ток большой силы.

Продолжительность импульса 10-5 - 10-7 с, плотность тока 104 - 106 А/мм2. При этом проволочки мгновенно разогреваются и взрываются. Образование частиц происходит в свободном полёте. Вакуум-сублимационная технология получения наноматериалов включает три основные стадии. На первой стадии готовится исходный раствор обрабатываемого вещества или нескольких веществ. Вторая стадия - замораживания раствора - имеет целью зафиксировать равномерное пространственное распределение компонентов, присущее жидкости для получения минимально возможного размера кристаллитов в твёрдой фазе. Третья стадия - удаление из замороженного раствора кристаллитов растворителя путём его возгонки.

Существует ряд методов получения наноматериалов, в которых диспергирование осуществляется в твёрдом веществе без изменения агрегатного состояния. дним из способов получения массивных наноматериалов является способ контролируемой кристаллизации из аморфного состояния. Метод предполагает получение аморфного материала закалкой из жидкого состояния, а затем в условиях контролируемого нагрева проводится кристаллизация вещества. В настоящее время наиболее распространенным методом получения углеродных нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под высоким давлением. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в илиндрические пучки диаметром около 50 мкм.

Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде евооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Согласно небольшому исследованию, проведенному мной по современным технлогиям которые вводятся в производстве одежды, могу сказать, что некоторые технологии уже активно используются при создании материалов для одежды и обуви, но что касается био- и нанотехнологий, пока информации о подобных эксперементах, таких как Olivia Ong, очень мало и она достаточно редко встречается в сети. Я нашел около 10 примеров упоменания использования наноматериалов в создании одежды.
…Необычная одежда разработана японской исследовательской группой Life BEANS…

…Китайские ученые создали наноткань, которая сама очищается под воздействием солнечного излучения.

…Португалии разрабатывают новые материалы и устройства, которые являются последним словом в инновациях в рамках Европейского научно-исследовательского проекта DEPHOTEX…

И несколько других упоминаний других проектов.

К сожалению, не смотря на некоторые успехи в области био- и нанотехнологий и даже конкретно области одежды, получаемая продукция остается непомерно дорогой как для производителя так и для покупателя поэтому нанотехнологичная одежда пока не готова производиться в более крупных количествах. Сегодня эта область активно развивается и остается перспективным направлением в области нанотехнологий.

По прогнозам некоторых ученых важность доступность высоких технологий в будущем будет достигаться за счет поиска рациональных методов и технологий получения различных наноматериалов и в конечном счете приведет к повсеместной замене обычных материалов на те которые были получены с применением высоких технологий.

Лидером в исследовании методов получения наноматериалов является НГТУ и ТПУ в частности кафедра Биотехнологии на базе Института Физики Высоких Технологий.

Подобные документы

Общие сведения о методах получения наночастиц. Основные процессы криохимической нанотехнологии. Приготовление и диспергирование растворов. Биохимические методы получения наноматериалов. Замораживание жидких капель. Сверхзвуковое истечение газов из сопла.

курсовая работа [2,9 M], добавлен 21.11.2010

Исследование особенностей объемных наноструктурных материалов. История развития нанотехнологий. Причины широкого интереса к нанотехнологиям и наноматериалам. Методы получения нанопорошков. Плазмохимический и криохимический синтез. Продукты криотехнологии.

презентация [2,3 M], добавлен 25.12.2015

Фуллерит как кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов. Знакомство с основными особенностями нанокристаллических материалов, анализ преимуществ: высокая вязкость, повышенная износостойкость. Характеристика механических свойств наноматериалов.

реферат [1,2 M], добавлен 20.05.2014

Группа методов количественного химического анализа, основанных на использовании электролиза (электрохимические методы анализа). Особенности электрогравиметрического метода, его сущность и применение. Основная аппаратура, метод внутреннего электролиза.

реферат [234,5 K], добавлен 15.11.2014

Нанокатализ как быстро развивающейся область науки, которая включает использование наноматериалов в качестве катализаторов для различных процессов катализа. Особенности производства наноразмерных катализаторов со 100% селективностью и высокой активностью.

Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время относят к ключевым аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовая 1 курс.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Уральский Государственный Университет им. А.М. Горького

Кафедра неорганической химии

НАНОМАТЕРИАЛЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ, СВОЙСТВА

Студентки 1-го курса

Астафьевой Юлии Дмитриевны

доц., к.х.н. Кочетова Н.А.

обработки поверхности 26

Технологии, основанные на физических процессах 26
Технологии, основанные на химических процессах 28

Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и внедрение наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Начало XXI века ознаменовалось масштабным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых

странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения

фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том,

что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов

будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического

и оборонного развития государств. Некоторые эксперты даже предсказывают, что XXI века будет веком нанотехнологий (по аналогии с тем как XIX век называли веком пара, а XX век – веком атома и компьютера).

Таким образом, тема наноматериалов в наше время очень актуальна. Поэтому я и взяла ее для своей курсовой. Цель моей работы - рассмотреть основные представления о наноматериалах, их структуре, свойствах и технологиях их получения.

1. Наноматериалы: прошлое и настоящее

Научные исследования нанообъектов берут свое начало в XIX веке, когда в 1856-1857-е годы М. Фарадей впервые получил и изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Но свое основное развитие наноматериалы получили в ХХ веке. Этот термин ввел в научный обиход Глейтер в 80-х годах XX века. Он же первый и сформулировал концепцию наноматериалов. Глейтер указал на возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами.

В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как

фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено такими причинами, как:

- стремление к миниатюризации изделий;

- уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии;

- необходимостью разработки и внедрения новых материалов с качественно и количественно новыми свойствами;

- развитие новых технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

- практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, рентгеновские методы, нанотвердость);

- развитие и внедрение новых технологий (ионно-плазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, LIGA-технологии, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки, технологий получения и формования нанопорошков и т.п.).

Развитие фундаментальных и прикладных представлений о наноматериалах и нанотехнологиях уже в ближайшие годы может привести

к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности: в

материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении,

медицине, сельском хозяйстве, экологии. Наряду с компьютерно- информационными технологиями и биотехнологиями, нанотехнологии являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке.

2. Понятие о наноматериалах. Классификация и типы структур наноматериалов

Так что же такое наноматериалы? В общем, это материалы, обладающие каким-либо уникальным свойством, полученным благодаря использованию наночастиц и нанотехнологий в целом. Размер наночастиц лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. Однако в настоящее время уже получены многие наноматериалы на основе нитридов и боридов с размером кристаллитов около 1–2 нм и менее. Но необходимо понять, что размеры частиц, из которых состоят наноматериалы, ничего не значат. Суть в том, что эти наночастицы позволяют получить какие-то ранее недосягаемые свойства (например, текучесть одновременно с возможностью притягиваться к магнитам). Наночастицы в руках нанотехнологов это всего лишь инструмент. Например, можно взять много наночастиц слепить их в комок, но это не будет наноматериалом, это будет просто комком наночастиц.

2.1. Классификация наноматериалов

Существует несколько типов классификаций наноматериалов (НМ). Одна из них - классификация по Глейтеру. Немецкий ученый разделил наноматериалы на следующие типы:

1. материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу;

материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, значительно улучшаются за счет создания в них наноструктуры;
массивные НМ, которые можно разделить на два класса:
1. НМ, атомная структура и/или химический состав которых меняются по объему материала на атомном уровне. К таким материалам относятся стекла, гели, пересыщенные твердые растворы или имплантированные материалы получаемые;
б. НМ, состоящие из наноразмерных блоков (кристаллитов), которые могут различаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией, химическим составом, и областей между соседними блоками (границы зерен).

Но более обширное и четкое представление о наноматериалах дает классификация по структурным признакам (рис.1). Согласно ей все наноматериалы подразделяются на наночастицы и наноструктурные материалы.

Рис.1. Классификация наноматериалов по структурным признакам.

Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул. К ним относятся:

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Нано-структурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наноча-стиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.

Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом. К консолидированным наноматериалам относятся:
1. нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, которые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами;
2. фуллериты, состоящие из фуллеренов;
3. фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направлениях с полудлиной световой волны;
4. слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины;
5. матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы – матрицы - в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);
6. нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор;
7. наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины - разделяющие поры.
Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой. К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпозиты и нанопористые материалы, а также:
1. нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наночастиц;
2. наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости;
3. наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распределенных в объеме другой жидкости;
4. наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно рас-пределенных в объеме газообразной среды.
Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомолекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологическую природу.

Еще одна классификация делит наноматериалы по количеству измерений. Согласно ей НМ бывают:

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: