МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. Баумана

Факультет: «Машиностроительные технологии»

Кафедра: «Электронное машиностроение»

Реферат

по теме:

«Нанопористые материалы»

Студент:

группы МТ11-72

Бочков С.Д.

Преподаватель:

Сидорова Е.В.

Оглавление

Введение 3

Способы получения нанопористых материалов 4

Анодирование 4

Ионная бомбардировка 4

Применение нанопористых материалов 6

Фильтрация воды 6

Хранение водорода 7

Нанопористые материалы для медицины 7

Биоматериалы 8

Список используемой литературы 10

Введение

Нанопористые материалы - это материалы обладающие порами размеры, которых значительно меньше установленного предела 100 нм. Благодаря этому свойству, нанопористые материалы обладают значительными объемами внутренних поверхностей.

Условно такие материалы делятся на три группы по размерам пор:

- микропористые материалы (0.2 – 2 нм)

- мезопористы материалы (2 – 50 нм)

- макропористые материалы (50 – 1000 нм)

Чаще всего нанопористые материалы применяются в виде различных фильтров механической очистки жидкости и газов, их сушки и подогрева для их селекции (избирательной фильтрации), обогащения газов, для аэрации жидкостей, для дозирования и равномерного распределения жидкости или газа, для испарительного охлаждения высокотемпературных конструкций, в качестве регенераторов смесей, пылеуловителей, увлажнителей, опреснителей, ядерных  мембранных фильтров, в качестве обкладок на суперконденсаторах (ионисторах) и др.

Способы получения нанопористых материалов

Анодирование

Самый распространенный способ получения нанопористых мембран – электрохимическое анодирование. На тонкой фольге или пленке металла (алюминий, титан, тантал, ниобий, магний, цирконий) методом одностороннего электрохимического анодирования формируют слой анодного оксида с гексагональной канализированной столбчатой структурой, а затем со стороны оставшегося металла пленку подвергают ионно-плазменному травлению до удаления оставшегося слоя металла, а также сплошного барьерного слоя оксида, закрывающих каналы, и образования в оксидной пленке сквозных наноотверстий, при этом анодирование осуществляют в потоке электролита, а ионно-плазменное травление осуществляют потоком плазмы ксенона или аргона или криптона с энергией ионов 300-400 эВ. Пример структуры Al после анодирования представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура Al после анодирования.

Стоит отметить, что диаметр пор, полученных таким методом, составляет 30нм.

Данный метод хорош тем, что оксидная пленка представляет собой плотноупакованные оксидные ячейки, имеющие форму гексагональных призм, их размер зависит от напряжения, при котором происходило анодирование. Так же, все ячейки направлены нормально друг к поверхности и паралленьны друг другу. Но данный метод не подходит для неметаллов.

Ионная бомбардировка

Другой метод получения нанопористых материалов - бомбардировка ионами инертных газов. Получаемые данной технологией фильтры называют трековыми мембранами. Размеры пор в таких мембранах – 20 -100 нм. Материал мембраны бомбардируется ускоренными ионами инертных газов с большим атомарным весом. Следы от этих ионов назвались треками, далее происходит травление для формирования пор с требуемой геометрической характеристикой. На рисунке 2 представлена схема получения трековых мембран.

Рисунок 2. Схема получения трековых мембран.

Данный метод мене технологичен и, в отдельных случаях, можно получить меньший диаметр пор, чем в методе анодирования. Так же можно получать мембраны не только из металла, это и есть основные достоинства данного метода. Из недостатков, стоит отметить неупорядочность пор относительно друг друга, они могут спокойно пересекаться так как мы не можем контролировать процесс ионной бомбардировки, а это ведет к локальному увеличению диаметра отдельных пор. На рисунке 3 показан пример трековой мембраны.

Рисунок 3. Трековая мембрана.

Применение нанопористых материалов

Фильтрация воды

Моря и океаны – основной источник воды на Земле: в них содержится 97% водных запасов нашей планеты. Но лишь малая доля этих ресурсов, проходя процесс обессоливания, используется людьми для питья. Технологии превращения соленой воды в пресную далеки от совершенства – их недостатки: энергоэффективность и дешевизна.

Ученые Массачусетского технологического института (MIT) на примере модели показали, что нанопористый графен способен отфильтровывать соль из воды со скоростью, в 2-3 раза превосходящей аналогичный показатель лучшей из существующих промышленных технологий обессоливания – обратного осмоса

Исследование, посвященное обессоливанию воды с использованием однослойного нанопористого графена, было опубликовано в недавнем выпуске журнала Nano Letters. Пример того как монослой графена фильтрует воду представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Фильтрация воды монослоем графена.

Прибегнув к классическому моделированию динамики молекул, ученые MIT – Девид Кохен-Танги (David Cohen-Tanugi) и Джеффри Гроссман (Jeffrey C. Grossman) – изучили водопроницаемость нанопористого графена с разным диаметром (0,015-0,62 нм²) и химическим составом пор. Эксперименты показали, что нанопоры в графене могут проделываться разными способами, включая просверливание пучком ионов гелия и химическое травление. В ходе моделирования ученые укрепляли нанопоры пассивированием (химический процесс создания защитной окисной плёнки на поверхности материала), или экранированием, каждого атома углерода по краю поры атомами водорода либо гидроксильной группы. После они сравнили два химических состава (в сочетании с разными размерами пор) графеновых фильтров, пропустив через них морскую воду с соленостью 72 г/л, что в два раза превышает среднюю соленость морской воды (около 35 г/л). Данное моделирование позволило определить промежуточный диапазон диаметров нанопор, обеспечивающих прохождение воды и удерживание соли.

Хранение водорода

Резервуар для хранения водорода — техническая проблема, которая должна быть решена для того, чтобы водород нашел практическое применение в качестве топлива для автомобилей. Водород можно сжать и закачать в металлический баллон так же, как это делается с другими газами. Но для того чтобы иметь количество водородного топлива, которое позволит автомобилю проехать приемлемое расстояние между заправками, баллон должен быть настолько большим и тяжелым, что эффективность автомобиля окажется низкой. Кроме того, баллоны со сжатым водородом могут представлять реальную опасность. В случае, если горлышко баллона отломится, выходящий под большим давлением водород превратит баллон в смертоносную ракету. Поэтому одна из важнейших задач научно-исследовательских работ в этой области — найти безопасный и эффективный способ хранения водорода под высоким давлением в резервуарах приемлемых размеров и массы.

Разрабатываются новые технологии хранения водорода. В настоящее время для создания эффективных мелкозернистых накопителей водорода на основе интерметаллидов и сложных комплексных гидридов широко применяется помол порошковых структур в шаровых мельницах. В данном методе нужная структура материала создается по принципу “сверху-вниз”, то есть - от крупнокристаллической к мелкокристаллической. С целью улучшения термодинамических и кинетических характеристик накопителей для их получения вместо мельничного помола мы предлагаем использовать метод ионно-стимулированного осаждения покрытий. В данной технологии материал формируется по принципу “снизу-вверх”. Основное преимущество данного метода заключается в высокой степени его неравновесности, что позволяет формировать нанокристаллические структуры, межзеренные пространства в которых заполнены нанопорами. Материал, полученный таким способом, способен аккумулировать большие количества водорода при невысоких давлениях и комнатной температуре. Наличие узких каналов в виде межзеренных границ позволяет удерживать молекулярный водород в порах при комнатной температуре и высвобождать его при температурах, не выше 200оС. Часть водорода в виде атомов при этом аккумулируется внутри зерен в виде химических соединений. Высвобождение такого водорода из поликристаллических зерен происходит при температурах, превышающих 200^оC. Для того, чтобы десорбировать водорода при невысоких температурах мы формируем нанокристаллические структуры, размер зерен в которых не превышает 4-5 нм. Так же такие материалы должны иметь не сквозные поры .

Нанопористые материалы для медицины

Использование трековых мембран позволяет очищать кровь от вирусов, возвращая при этом очищенную плазму обратно в кровь. Применяться нанофильтры будут для лечения и профилактики многих заболеваний, но в первую очередь в борьбе с атеросклерозом, вызывающим инфаркт миокарда, инсульт. Медики считают атеросклероз проблемой века, ведь по данным Минздравсоцразвития РФ тяжелые сердечно-сосудистые заболевания являются причиной смерти чаще всего (57% от общей смертности населения). На рисунке 5 показана условная модель фильтрации крови от вирусов.

Рисунок 5. Модель фильтрации крови.

Сегодня такую процедуру каскадной плазмофильтрации выполняют на японском оборудовании всего в нескольких клиниках. Стоимость годового курса каскадного плазмафереза может доходить до 50 тысяч долларов. Внедрение отечественной технологии поможет удешевить стоимость процедуры на порядок и сделать ее общедоступной для самых широких слоев населения.

Биоматериалы

Биоматериалы — это материалы, призванные заменить поврежденные участки организма: их отдельные органы и ткани. Перелом или травма кости ведет к необходимости замены искусственным имплантатом поврежденной области.

Биоматериалы можно условно разделить на две группы: трансплантаты и имплантаты. Особое место занимают биоматериалы, построенные из клеток или являющиеся их носителями. Первая группа — это органы и ткани, пересаженные от самого пациента, его близких родственников или других людей, если это не имеет значения. В таком случае проблемы совместимости материала или не возникает, или, орган отторгается, зато при удачном исходе он полностью обеспечивает необходимое функционирование. Однако невозможность предсказания итогов пересадки, а также более чем ограниченное количество трансплантатов накладывают свои ограничения на данный тип биоматериалов.

Вторая группа представляет собой «неживые» материалы, не имеющие непосредственного отношения к организму: полимеры, керамические блоки, скелеты кораллов и тому подобное. В случае имплантатов проблемы генетической несовместимости материала не возникает, тут встает вопрос о его принципиальной токсичности или биосовместимости.

Как оказалось, при создании совершенных биосовместимых имплантатов огромное значение имеет организация биоматериала на нано-уровне, а именно наличие различных включений или пустот нанометрового размера приводит к кардинальному улучшению биосовместимости. Так, например, использование нанопористого полимера при изготовлении искусственного сердечного клапана позволяет добиться 3—4-кратного ускорения адаптации организма к инородному телу, а нанотекстурирование поверхности аортного катетера позволяет снизить вероятность его отторжения на 80%. Иногда проводят поверхностное модифицирование биоматериалов небольшим количеством антисептика в нанокристаллическом состоянии для предотвращения воспалительных процессов после имплантации.

Совершенно новые горизонты открываются при использовании последних достижений генной инженерии и операций с клеточными культурами. Представляется возможным «заселять» клетками имплантируемый биоматериал (например, при замене кости, которая является довольно пористым материалом) с тем, чтобы постепенно материал в среде организма растворился, а клетки построили бы на его основе естественную биологическую костную ткань — произошла бы биоминерализация. Особую роль отводят при этом стволовым клеткам, которые потенциально могут восстановить любые поврежденные ткани. В этом случае также чрезвычайно важна организация материала на наноуровне, позволяющая материалу, с одной стороны, быть достаточно «дружественным» к стволовой клетке, а с другой стороны, быстро растворяться в организме.