Азаренков Н.А. - Наноматериалы, страница 2

Всевышеперечисленное способствует концентрации внимания научноинженерного сообщества в этом направлении.Во многих технологически продвинутых странах (США, Объединенная Европа, Япония, Китай, Россия) приняты и активно претворяютсяв жизнь национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие различных научно-технических разработок, относящихся к областинанотехнологии и наноструктур.Если говорить о наноматериалах, то принято выделять несколько основных разновидностей (рис. 1).НАНОМАТЕРИАЛЫконсолидированныенаноматериалыфуллерены инанотрубкинанополупроводникинаночастицы инанопорошкинанополимерынанопористыематериалысупрамолекулярныеструктурыРис. 1. Основные разновидности наноматериаловКонсолидированные материалы – компакты, пленки и покрытия изметаллов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразнымиприемами нанесения пленок и покрытий.Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могутбыть в изолированном и частично в смешанном (консолидированном) состоянии.Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с момента открытия (Н.

Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропной формыуглерода – кластеров С60 и С70, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были обна7ружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С. Ишима, 1991).Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмерные структуры различного состава, размеры которых не превышают, вобщем случае, нанотехнологической границы.

Различие состоит в том,что наночастицы имеют возможный изолированный характер, тогда какнанопорошки – обязательно совокупный. Похожим образом нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее100 нм.Супрамолекулярные структуры – это наноструктуры, получаемые врезультате так называемого нековалентного синтеза с образованиемслабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.Наноматериалы – не один «универсальный» материал, а обширныйкласс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами.

Заблуждением являетсяи то, что наноматериалы – это просто очень мелкие, «нано»-частицы. Насамом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами,они могут представлять собой сложные микрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноматериалы можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойстваматериалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам объемного вещества.Итак, наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, ставящих их вне конкуренции по сравнению с другими веществами,находящими практическое использование в деятельности человека.Во-первых, все наноматериалы действительно состоят из очень мелких частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Это – суперминиатюризация, приводящая к тому, что на единице площади можноразместить больше функциональных наноустройств, что жизненно важно,скажем, для наноэлектроники или для достижения очень плотной магнитной записи информации до 10 Тиррабит на 1 квадратный сантиметр.Во-вторых, наноматериалы обладают большой площадью поверхности, ускоряющей взаимодействие между ними и средой, в которую онипомещены.

Например, каталитически активные материалы позволяют вдесятки, тысячи и даже миллионы раз ускорить химические или биохимические реакции.Интересное применение – разложение воды для водородной энергетики на водород и кислород в присутствии наночастиц диоксида титана,который всем нам известен, как компонент титановых белил. Нанофильтры позволяют отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины.8В-третьих, наноматериалы уникальны по своим физикомеханическим свойствам тем, что такое вещество находится в особом,«наноразмерном», состоянии. Изменения основных характеристик обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела.

Этиэффекты наступают при таком критическом размере, который соизмеримс так называемым корреляционным радиусом того или иного физическогоявления (например, с длиной свободного пробега электронов, фононов,длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного доменаили зародыша твердой фазы и др.).

Это делает, в частности, полупроводниковые материалы идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. А индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающейпрочность лучшей стали, при этом они во много раз выигрывают и по своей удельной массе.

Все эти признаки вполне объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тоннаобычного вещества, и что их производство – вопрос не количества, нетонн или километров, а качества человеческой мысли, «ноу-хау» (английское know how – «знаю как»).Нанотехнологии – чрезвычайно сложная профессиональная междисциплинарная область, объединяющая на равных усилия химиков, физиков, материаловедов, математиков, медиков, специалистов в области вычислительных методов и др. В области наноматериалов удивительнымобразом переплетены как глубоко фундаментальные научные основы, таки аспекты практического использования человеческих знаний.В предлагаемом учебном пособии изложены основные сведения ополучении, структуре, свойствах и применении современных наноматериалов.В первом разделе даны общие понятия о наноматериалах, изложенысведения об особенностях структуры, влиянии размерных эффектов на ееформирование и физико-механические свойства.Во втором и третьем разделах приведены сведения о структуре исвойствах нанопористых и аморфных материалов.В четвертом разделе рассмотрены некоторые свойства фуллеренов инанотрубок.Нанокомпозитам на основе полимеров посвящен пятый раздел.В шестом разделе рассмотрены методы и технологии получения наноматериалов.Новейшим физическим методам исследования наноматериалов посвящен седьмой раздел.В восьмом разделе рассмотрены механические и термические свойства нанокристаллических пленок и нанокомпозитных покрытий, полученных физическими методами осаждения.9Девятый раздел посвящен применению нанокристаллических материалов в технике.За труд рецензирования учебного пособия авторы признательныпрофессору Проценко И.

E. и профессору Багмуту А. Г.Профессору Гладких Н. Т., доценту Крышталю А. П., (ХНУ имениВ. Н. Каразина), доценту Соболю О. В. (НТУ «ХПИ») научным сотрудникам Дробышевской А. А., Фурсовой Е. В. (НФТЦ МОН и НАН Украины)авторы благодарны за обсуждения, советы и замечания.Литература1. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С.

П. Ультрадисперсные металлические среды. – М.: Атомиздат, 1977. – 264 с.2. Gleiter H. Nanostructured materuals: basic concepts and microstructure //Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48, No. 1. – P. 1-29.3. Seigel R.W. Nanostructured materials − mind over matter // Nanostruct.Mater. – 1993. – Vol.

3., No. 1-3. – P. 1-18.4. Лариков Л. Н. Нанокристаллические соединения металлов // Металлофизика и новейшие технологии. – 1995. – Т. 17, № 9. – С. 56-68.5. Андриевский Р. А., Рагуля А. В. Наноструктурные материалы. –М.:Асаdemia, 2005. – 164 c.6. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии.

Прогноз направления исследований / Под ред. Роко М. К., Вильямса Р. С., Аливисатоса П.; пер. сангл. под ред. Андриевского Р. А. – М.: Мир, 2002. – 292 с.7. Лякишев Н. П., Алымов М. И. Наноматериалы конструкционного назначения // Российские нанотехнологии. – 2006. – Т. 1, № 1-2. – С. 71-81.8. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.:Физматлит, 2005.

– 416 с.9. Гусев А. И., Ремпель А. А. Нанокристаллические материалы. − М.:Физматлит, 2000. − 224 с.10. Поздняков В. А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов. − М.: МГИУ, 2007. − 424 с.11. Рагуля А. В., Скороход В. В. Консолидированные наноструктурныематериалы. – К: Наукова думка, 2007. – 374 с.12. Сергеев Т. Б. Нанохимия. – М.: МГУ, 2003. – 288 с.13. Андриевский Р. А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. I. Особенности структуры. Термодинамика. Фазовые равновесия. Кинетические явления // Физика металлов и металловедение. – 1999. – Т. 88, № 1. – С. 50-73.14.

Андриевский Р. А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. ІІ. Механические и физические свойства // Физикаметаллов и металловедение. – 2000. – Т. 89, № 1. – С. 91-112.1015. Погребняк А. Д., Шпак А. П., Азаренков Н. А., Береснев В. М. Структура и свойства твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий //УФН. – 2009.

– Т. 179, № 1. – С. 35-64.16. Носкова Н. И., Мулюкова Р. Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. – Екатеринбург: Уральское отделениеРАН, 2003. – 279 с.17. Суздалев И. П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. − М.: КомКнига, 2006. − 592 с.18. Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией.

– М.: Логос, 2000. –272 с.19. Андриевский Р. А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Рос. хим. журн. – 2002. – Т. XLVI, № 5. – С. 50-56.20. Глезер А. М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства,различия, взаимные переходы // Рос. хим. журн. – 2002. – Т. XLVI, № 5. –С. 57-63.21. Андриевский Р.

А. Термическая стабильность наноматериалов // Успехи химии. – 2002. – Т. 71, № 10. – С. 967- 981.22. Демиховский В. Я., Вугальтер Г. А. Физика квантовых низкоразмерных структур. – М.: Логос, 2000. – 248 с.23. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новыематериалы ХХI века. Пер. с англ.

под ред. Л.А. Ченазатонского. – М.: Техносфера, 2003. – 336 с.24. Помогайло А. Д., Позенберг А. С., Уфлянд И. Е. Наночастицы металлов в полимерах. – М.: Химия, 2000. – 67 с.25. Шевченко С. В., Стеценко Н. Н. Наноструктурные состояния в металлах, сплавах и интерметаллических соединениях: методы получения,структура, свойства // УФМ. – 2004.

– Т. 5. – С. 219-255.26. Шик А. Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Р., Рожков С. А. Физика низкоразмерных систем. – СПб.: Наука, 2001. – 160 с.27. Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц,наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материаламПервого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителейв области нанотехнологий). − М.: Изд-во ЛКИ, 2008. – 344 с.28. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. Пер. с англ.

− М.: Техносфера,2004. − 328 с.29. Головин Ю. И. Введение в нанотехнологию. − M.: Машиностроение,2003. − 112 c.30. Шоршоров М. Х. Ультрадисперсное структурное состояние металлических сплавов. – М.: Наука, 2001. – 155 с.11РАЗДЕЛ 1ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯНАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ1.1.

Общие сведения о наноразмерных структурахВ последнее время возрос интерес к исследованию материалов снанокристаллической структурой, так как обнаружилось, что уменьшение размера кристаллитов (или любых других структурных образований)ниже некоторой пороговой величины приводит к радикальному изменению физических свойств этих материалов. Началом новому витку исследований в этой области физического материаловедения послужили, с одной стороны, тенденции дальнейшей миниатюризации устройств микроэлектроники; с другой стороны, появление работ середины 80-х годов, вкоторых дана классификация таких материалов. При этом заслугой Глейтера (автора данных работ) можно считать не только объединениебольшого класса различных материалов (ультрадисперсных, композиционных, гранулированных, порошков и т.д.) в единый класс наноструктурных материалов, объединенных одним свойством – размером структурныхобразований, но и выявление особенностей свойств, характерных для них[1 – 3].