Азаренков Н.А. - Наноматериалы, страница 8

Для их эффективной работы важнопревзойти перколяционный предел, за которым не связанные между собойпоры и каналы начинают образовывать сквозные проходы для пропускания37текучей среды. В подобных приложениях особую ценность приобретаютматериалы со сквозными каналами правильной геометрической формы и содинаковыми размерами, поскольку, чем меньше разброс последних, темвыше селективные свойства фильтра.В химической, металлургической и биотехнологической промышленности одним из наиболее популярных типов используемых нанопористыхматериалов являются цеолиты – алюмосиликаты, которые получают изособых глин. После специальной термообработки в них создаются поры сразмерами примерно 0,1 – 10 нм, которые образуют трехмерную структуру со сквозными каналами.

Размер пор зависит от числа атомов кислорода в циклических структурах, образующих цеолиты, что позволяетлегко «настраивать» материал на поглощение определенных молекул илиразделение их смесей в мембранных фильтрах. В начале 90-х годов прошлого века фирма Моbile Oil ОН сообщила о завершившейся разработке новогокласса алюмосиликатов (МСМ-41 и др.), содержащих упорядоченныецилиндрические поры диаметром 2 – 10 нм с малой дисперсией размерови, следовательно, обладающих высокой селективностью.Ключевая проблема создания пористых наноматериалов сегодня – этоуправление размером, формой пор и равномерностью их распределения впространстве. В институте материаловедения НАН Украины предложенпростой метод для изготовления пористых материалов с четко выраженнойструктурой субмикронного масштаба [4].

Метод основан на эффекте самосборки структур типа ядро-оболочка посредством гетерофазного коагуляционного процесса. Монодисперсные субмикронные полимерные сферыприменяли в качестве шаблонов ядра, а наноразмерные керамические частицы – как мишень материала. Модификация поверхности наночастиц исмеси с полимером возможна вследствие гетерокоагуляции, и структураядро-оболочка самособирается под действием кулоновских сил. При упаковке слоистых частиц в процессе вакуумной фильтрации формируетсяплотноупакованная структура. Затем полимер удаляют в процессе прокалки и формируют требуемую пористую структуру. Размер пор можно контролировать, изменяя размер и форму ядра полимера, пористость такжелегко задается объемным соотношением частиц полимер/керамика. Этотпроцесс можно применять для производства разнообразных пористыхструктур.Пористые материалы широко применяются в процессах преобразования выхлопных газов, очистки жидкостей, каталитического риформинга вхимической промышленности и т.д.

Для оптимизации свойств пористыхматериалов необходимо контролировать структуру пор. Так, к примеру,при использовании пористого оксида алюминия Al2O3 в качестве носителясеребряного катализатора в производстве этилена необходимо, чтобы макропоры обладали минимальным отклонением по размеру. Микрофильтрация на основе керамических мембран является другим весьма перспектив38ным применением нанопористого оксида алюминия. Однако типичные керамические мембраны, получаемые спеканием нанодисперсных порошковоксида алюминия, демонстрируют относительно невысокую проницаемость ввиду относительно низкой пористости.

Для получения мембранныхфильтров с высокой проницаемостью альтернативным спеканию методомявляется золь-гель конденсация или осаждения из химического пара. Осаждение ультрадисперсных порошков на пористую подложку также представляет альтернативный метод для получения мембранных фильтров [5].Большой интерес вызвало открытие в 90-х годах люминесценции пористого кремния в области видимого диапазона света, которая отсутствует уобычного монокристаллического кремния (в нем, как известно, наблюдаетсялишь слабая флюоресценция в инфракрасной области спектра с энергиямиквантов ~ 1,0 – 1,2 эВ, близких к ширине запрещенной зоны). Помимо фотолюминесценции пористый кремний демонстрирует также электролюминесценцию и катодолюминесценцию (т.е.

испускание видимого света под действием приложенного напряжения и падающих на его поверхность электронов).Пористые материалы представляют значительный интерес, поскольку открывают возможность широкого комбинаторного сочетания снаночастицами, размещенными в мезопорах.Контрольные вопросы1. Перечислите типы нанопористых материалов.2. Чем характеризуется пористость?3. Определите современную ключевую проблему в создании нанопористыхматериалов.4. Назовите и охарактеризуйте виды взаимодействия нанопористых материалов с окружающей средой.5. Что такое цеолиты и где они применяются?Литература к разделу 21. Черемской П. Г., Слезов В. В., Бетехин В. И. Поры в твердом теле.

– М.:Энергоатомиздат, 1990. – 376 с.2. Шпак А. П., Черемской П. Г., Куницкий Ю. А., Соболь О. В. Кластерные и наноструктурные материалы. – Т 3. – К.: ВД «Академпериодика»,2005. – 516 с.3. Денисова Н. Е., Шорин В. А., Гонтарь И. Н. и др. Трибологическое материаловедение и трибология. – Пенза: ПГУ, 2006. – 238 с.4. Рагуля А. В., Скороход В. В. Консолидированные наноструктурные материалы.

– Киев: Наукова думка, 2007. – 374 с.5. Sokolov S., Bell D., Stein A. Preparation and characterization of macroporousalpha-alumina // J. Amer. Ceram. Soc. – 2003. –Vol. 86, № 9. – Р. 1481-1486.39РАЗДЕЛ 3АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫАморфные твердые тела в последние годы привлекают значительноевнимание физиков, работающих в области как фундаментальных исследований, так и прикладных разработок. Отсутствие дальнего порядка во взаимном расположении атомов является определяющим признаком аморфных тел.

Такие системы характеризуются, с одной стороны, отсутствиемдальнего порядка, т.е. строгой периодичности расположения атомов вмикрообъеме, с другой – наличием ближнего порядка, т.е. упорядоченнымраспределением координат ближайших соседей для любого атома. Отсутствие дальнего трансляционного порядка часто приводит к изменениюсвойств, которые трудно или невозможно получить в твердом теле с кристаллической структурой. Некоторые из этих свойств оказались оченьважными как для практического применения, так и для научного осмысления явления атомного беспорядка.В прикладном аспекте аморфные твердые тела вызывают интерес сточки зрения создания материалов с заранее заданными свойствами. Вопервых, это оптические стекла, интерес к которым особенно возрос с появлением волоконно-оптических систем связи.

Аморфные металлическиесплавы (метглассы) нашли применение в качестве материалов сердечников магнитных головок, материалов магнитомеханических датчиков, регулируемых линий задержки и др. Аморфные полупроводники – это фотоприемники, относительно дешевые солнечные батареи, чувствительныеслои для ксерографии. Практический интерес диктует необходимость получения новых некристаллических материалов, а для получения нужныхмакросвойств необходимо поучение связи: состав – условия получения –структура – свойства. Над решением этой проблемы и работают сегодняученые, специализирующиеся в области физики твердого тела и физикохимического материаловедения.Аморфное состояние – одна из форм существования твердых тел.Аморфное твердое тело является термодинамически неравновесной илиметастабильной равновесной системой, стремящейся обрести кристаллическую структуру и перейти в стабильное состояние.

В метастабильномсостоянии флуктационно могут возникать области с определенным упорядочением атомов – зародыши.С одной стороны, если размер зародыша превышает некоторое критическое значение (критический радиус), то свободная энергия системыуменьшается с ростом зародыша, с другой, если размер зародыша меньшекритического, то его образование и рост сопряжены с увеличением свободной энергии по сравнению с исходным равновесным состоянием.40Время упорядочения метастабильного состояния определяется скоростью зародышеобразования – частотой образования зародышей с размерами больше критического, отнесенной к единице объема, и скоростьюроста закритических зародышей. Время упорядочения неравновесногоаморфного тела определяется частотой локальных перестроек атомныхконфигураций, приводящих к упорядочению.Атомная структура аморфного тела определяется не только характером межатомных сил, но и процессом образования.

Существует два классааморфных тел, один из которых генетически связан с кристаллами, а другой – с жидкостями. Если кристаллы содержат случайные сетки дислокаций или являются поликристаллами, состоящими из случайно ориентированных кристаллитов, то парные корреляционные радиусы узлов решетокв них сравнимы со средним расстоянием между дислокациями и размерами кристаллитов. Протяженные дефекты – дислокации и границы зерен –играют в структуре, двоякую роль: во-первых, они вносят топологическийбеспорядок, разрушая корреляции в расположениях атомов на расстояниях, сравнимых со средними расстояниями между дефектами, и, во-вторых,в ядрах дислокаций и граничных слоях нарушен локальный порядок.