Учебное пособие (иллюстративные материалы) под ред. акад. РАН Ю.Д.Третьякова

Настоящее пособие предназначено для всех, кто интересуется новыминаноматериалами и нанотехнологиями, а также возможностямипрактическогоиспользованиясовременныхфункциональныхматериалов. Публикуемые микрофотографии получены в ЦентреКоллективного Пользования МГУ им. М.В.Ломоносова в результатевыполнения научных исследований студентами и аспирантамиФакультета Наук о Материалах и Химического факультета МГУ и приразработке медиапрезентационных материалов по направлениюподготовки бакалавров и магистров 020900 «Химия, физика и механикаматериалов». Издание осуществлено в рамках программы«Инновационный Университет» МГУ им.

М.В.ЛомоносоваУчебное пособие (иллюстративные материалы) под ред. акад. РАНЮ.Д.Третьякова, фотография обложки: к.х.н. Ю.Г.Метлин; идея,подбор материала, оформление, фотография форзаца: чл.-корр. РАНЕ.А.Гудилин.2Уважаемые читатели!Перед Вами одна из серии книг, повествующих об увлекательном миресовременных функциональных материалов, а именно – их «портрете» на микро- инаноуровне. Создание таких материалов – несомненный приоритет для мировогосообщества, так как работы в этом направлении всегда имеют большойэкономический, политический и социальный резонанс, принося огромныедивиденды глобальному научно - техническому прогрессу.

Новые открытия внано- и биотехнологиях, медицине, электронике, фотонике, сенсорике испинтронике привели к своего рода ренессансу в развитии наук о материалах,наблюдаемому в последние 10 – 15 лет. Значимость разработки современныхтехнологий новых материалов, являющихся критическими для дальнейшегоразвития Российской Федерации, подтверждается принятием национальнойпрограммы «Образование» и Федеральной Целевой Научно - ТехническойПрограммы, финансирующих передовые научно-исследовательские работы иобразовательные инновации в области современного фундаментальногоматериаловедения. Представленные в данной книге фотографии уникальны тем,что на них изображены наиболее перспективные на сегодняшний день типынаноструктурированных материалов, которые получены с использованиеморигинальных инновационных технологий, развиваемых вот уже 15 лет нафакультете наук о материалах МГУ.

Мы рассчитываем, что эта книга найдетсвоих читателей как среди студентов, впервые знакомящихся с наноматериалами,так и среди преподавателей, желающих найти яркие иллюстрации для своихлекций и семинаров.Декан ФНМ МГУ,зав. каф. неорг. химииХимического факультетаМГУ, акад. РАНЮ.Д.Третьяков3Содержание1. Введение - 6ФНМ в лицах - 127Центр коллективногопользования (ЦКП) - 1292. НаночастицыСлоистые двойные гидроксиды - 20Квантовые точки - 23Фотонные кристаллы - 253.

ПористыематериалыЖидкокристаллическиематрицы-темплаты - 34Анодное окислениеалюминия - 37Аэрогели - 324. Нанотрубки - 40Мезопористые материалы - 345. НеорганическиеволокнаНемного о химии«усов» - 47Манганитные вискеры - 51Гибкие электроды - 63Базальт - 666. Тонкие пленки - 697. Нанокерамика8. Микро- и нанокомпозитыМанганиты дляспинтроники - 75Ферриты - 799.

Высокотемпературныесверхпроводники10. БиоматериалыМагнитная левитация - 86Самотекстурирование - 90Сверхпроводящаякерамическая пена - 92Токонесущие элементы наоснове ВТСП - 944Рисунок из «молекул жизни» - 113Убийцы грязи - 119Делаем киборга - 1241. ВВЕДЕНИЕВ последнее время все более пристальноевнимание привлекают исследования вобласти наноматериалов и нанотехнологий,где работают с объектами, размер которыххотя бы в одном измерении должен бытьсоизмерим с корреляционным радиусом тогоили иного физического явления (например,длины свободного пробега электронов,фононов,длиныкогерентностивсверхпроводнике,размероммагнитногодомена или зародыша твердой фазы).

ПорекомендацииМеждународногоСоюзаЧистой и Прикладной химии (IUPAC) за«нанокритерий» принимают величину 100 нм.Свойства наноматерии отличны от свойствобъемной фазы, поэтому иногда говорят обособом, наносостоянии, вещества.Использованиенаноматериаловприобретает грандиозные перспективы нетолько в силу уникальной, невиданной ранеевозможности миниатюризации устройств, нои из-за их фундаментального отличия отобычных материалов и приобретения новыхсвойств, в том числе возникновенияквантовых и туннельных эффектов, а такжеиз-за высочайшей площади поверхности,избыточной поверхностной энергии иреакционнойспособностинаночастиц.Важнейшимипараметраминаносистемявляются размер, размерность, упорядочениеи функциональность. Учет всех этиххарактеристик порождает новое поколениенаноимикроструктурированныхматериалов,обладающихнаивысшиминновационнымпотенциаломиопределяющих весь дальнейший прогресс внанотехнологиях.«Иерархия» основных понятий, связанных с существованием наносистем.Еще одна важная черта современныхфункциональныхматериаловинаноматериалов – иерархичность структуры,то есть наличие тех или иных структурныхособенностейнаразличныхуровняхпространственнойорганизации.Так,высокотемпературные сверхпроводники (см.раздел«Высокотемпературныесверхпроводники») являются наиболее яркимпримеромвзаимосвязииерархическойорганизации материала и его практическиполезных,функциональныхсвойств.Микронные по толщине «декорированные»манганитные вискеры с искусственновыращенныминаихповерхностинаноразмерными кристаллитами гидратированногодиоксидамарганцаимеютзначительно большую площадь поверхности,что существенно повышает их эффективностькак каталитически и электрохимическиактивного материала.

Наконец, многостенныенанотрубки на основе пентоксида ванадия5(раздел «Нанотрубки») являются гибриднымнеоргано - органическим материалом, вкотором тубулярное строение реализуется засчетналичиямолекулповерхностноактивных органических молекул «шаблона»,расположение и даже конформация которыхтесно связана с формой и размеромнанотрубок, а также со средней степеньюокисления ванадия, что предопределяетбольшинствоуникальныхсвойствнанотубулярных форм оксидов 3d –элементов.

Кроме того, такие нанотрубки несуществуют в изолированной форме из-завысокойповерхностнойэнергии,аформируютсвоеобразные«жгуты»,состоящиеизогромногочислананотубуленов.Иерархичность структуры листа древа (прожилки образуют дендрит).Структурированностьподразумеваетналичие определенной пространственнойорганизации материи как минимум науровнях наноразмеров и в микромасштабе. Всилу чрезвычайной сложности иерархическихвзаимодействий в открытых системах однимиз немногих эффективных способов созданияпередовыхматериаловявляетсяиспользование темплатов.

Под темплатамиследует понимать такие части системы,которые инициируют формирование структурсзаданнымтипомупорядочениясоставляющих эти системы элементов.Темплаты могут иметь различную природу:так, известны молекулярные темплаты,позволяющие формировать структурные слоии туннели размером до 30 А, мицеллярныетемплаты, дающие систему пор диаметром до30нм,атакжегеометрическиемикрошаблоны, генерирующие текстуры.Прииспользованиимолекулярныхтемплатов (то есть ионов, анионныхкомплексов и ионогенных ПАВ) впервыеполученыперспективныемагнитныенанокомпозитыилюминесцентныематериалы на основе слоистых двойныхгидроксидов, наноструктурированные ионпроводящиетуннельныеманганиты,ксерогели и нанотрубки на основе оксидаванадия.

Мицеллярные темплаты позволяютполучать фотокатализаторы на основедиоксида титана для диализа воды ифотодеградации отходов, а также магнитныенаночастицы ферритов для биомедицинскихприменений. Использование темплатныхжидкокристаллических матриц привело ксозданию нового класса мезопористыхмагнитных нанокомпозитов. Применениегеометрических темплатов подразумеваетпроведение пространственно-ограниченныхпроцессовформированиявещества.Например, пиролизом аэрозолей полученымагнитные наночастицы в соляной оболочкедля биомедицинских применений, а такжевысокоактивныенаноструктурированныепрекурсоры для синтеза манганитов сколоссальным магнетосопротивлением.6Использование темплатов как метод наноструктурирования.Основные типы нано- и микроструктурированных материалов,рассмотренных в настоящем пособии.Полимеризация в микроэмульсиях споследующей конвекционной самосборкойполученных монодисперсных микросфериспользовалась для формирования трехмерно- упорядоченного темплата и созданияполифункциональных фотонных кристаллов.Впервые разработан универсальный подходграфотекстурирования, в котором планарныйтемплат – искусственный поверхностныйрельеф - позволил добиться управляемойориентированной кристаллизации различныхвысокотемпературных сверхпроводников, атакже биокристаллических пленок.

Такимобразом, применение темплатов являетсяоднойизнаиболеедейственных,универсальных и перспективных стратегийполучения современных функциональныхнано- и микроструктурированных материаловс инновационными свойствами.Исследованиемикроинаномирасовременных материалов не только приноситглубокое эстетическое удовлетворение отсозерцания его приоткрывшихся тайн, но идает возможность существенно упроститьпуть их создания, который, в противномслучае, часто оказывается долгим итернистым. Здесь собрана фотогалереяизбранных микроструктур перспективныхклассовсовременныхнеорганическихматериаловинаноматериалов.Всефотографии - плод многолетних научныхисследований, представленный в формесугубо «ненаучного» отчета за последнююнаучно – исследовательскую пятилетку.Специфика Факультета Наук о МатериалахМГУ заключается в том, что даже самые«маленькие» студенты начинают своюнаучно-исследовательскую работу с 1 курса.Именнонатакихлюбопытствующихэнтузиастов,намолодоепоколениеисследователей, делающих свой научныйвыбор, и рассчитана эта небольшая брошюра.Комплексный подход к исследованию современных материалов.

ОМ –оптическая микроскопия, РЭМ - растровая электронная микроскопия, ПЭМ- просвечивающая электронная микроскопия, АСМ - атомно-силоваямикроскопия, РСМА - рентгеноспектральный микроанализ, РФА –рентгенофазовый анализ, РСтА - рентгеноструктурный анализ, ЭД дифракция электронов, ИК – спектроскопия в инфракрасной области, УФ –спектроскопия в видимой и ультрафиолетовой областях, ТГА – термическийанализ, ВАХ – определение вольт-амперныххарактеристик, СКВИД –измерение магнитных свойств, БЭТ – определение площади поверхности.Большую часть информации о миречеловек получает визуально. Давно уже ушлив прошлое органолептические методыисследования веществ алхимиками.