Наноматериалы

Научные исследования, связанные с проблемой создания наноразмерных систем, проводились уже более 100 лет назад. Еще в 1857 году Майкл Фарадей синтезировал золото в коллоидном состоянии, размер частиц которого составляет от долей микрона до 10 нм. Т. Грэхем использовал термин «коллоид» для описания суспензий, содержащих частицы диаметром от 1 до 100 нм. В начале XX века коллоиды изучали такие знаменитости, как Д. У. Рэлей, Д. К. Максвелл, А. Эйнштейн. В это же время в США и Германии стали получать субмикронные порошки с использованием электрической дуги, плазмы, газовой конденсации.

Использование коллоидов можно считать одним из первых практических приложений наноматериалов. Также достаточно давно применяются такие вещества, как аэрозоли, гели, красящие пигменты, содержащие в качестве одной из составляющих ультрадисперсные частицы.

Объекты с размером 1-10 нм в последнее время называют наночастицами. Нижняя размерная граница существования наночастиц весьма размыта. Она может определяться переходом от кристаллической фазы к квазимолекулярной или с икосаэдрическим строением, имеющим симметрию пятого порядка. Столь малые образования принято называть кластерами.

Кластеры (от англ. «cluster», букв. — пучок, рой, скопление) — группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов (рис. 1).

Рис. 1 Общий вид кластеров.

Определением верхней размерной границы наночастиц может служить соотношение числа поверхностных и внутренних атомов. В частности, в химии критерием отнесения объекта к наночастицам (а, например, не к ультрадисперсным средам) считается примерное равенство количества поверхностных и объемных атомов. В зависимости от формы наночастицы этому критерию соответствует 10³-10⁵ атомов.

Под нанокристаллическими (наноструктурными, нанофазными, нанокомпозитными) материалами принято понимать такие материалы, у которых размер отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении.

На рис. 2 представлено распределение дисперсных материалов, согласно приведенной выше классификации.

Рис. 2. Распределение дисперсных материалов.

Дисперсные фазы в реальных системах имеют разнообразную форму: это могут быть сферы, иголки, чешуйки, цилиндры, неравноосные образования. Кроме того, дисперсную фазу могут составлять покрытия, пленки, мембраны, нити, капилляры, различные волокна, поры. В связи с этим, классификация дисперсных систем по мерности основывается на геометрии или числе измерений характерных размеров дисперсной фазы. Характерными следует считать такие размеры, которые определяют дисперсность.

Дисперсность — величина, обратная размеру частиц дисперсной фазы.

Характерные размеры и дисперсность трехмерных тел определяются в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

По современной классификации к одномерным наноматериалам относят тела, у которых только один размер определяет дисперсность (рис. 3, а). Таким образом, нольмерные материалы - кластеры, наночастицы и нанопорошки. К одномерным материалам относятся пленки, мембраны, покрытия, толщина которых измеряется в нанометрах, а два других измерения имеют макроскопические размеры (рис.3, в).

Дисперсность двумерных тел характеризуется двумя размерами, которые определяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а третий размер L на дис­персность не влияет (рис. 3, б). Двумерные системы составляют волокна, нити, капилляры, которые имеют макродлину, а два других размера измеряются в нанометрах.

К трехмерным наносистемам относятся объемные наноматериалы.

Рис. 3. а – нульмерные ; б – двумерные; в – одномерные дисперсные фазы.Ктрехмерным относятся объемные наноматериалы.

Полная классификация наноматериалов по типу, по составу и по назначению приведена на рис. 4.

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты. Благодаря уникальности свойств наноматериалов области их применения интенсивно расширяются.

Рис. 4. Классификация наноразмерных наноматериалов