Ю.Д. Третьяков - Микро- и наномир современных материалов (975562)
Текст из файла
МИКРО- и НАНОМИРСОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВМГУ им.М.В.ЛомоносоваФАКУЛЬТЕТ НАУК О МАТЕРИАЛАХХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТМосква2006Глубокоуважаемые коллеги!Перед Вами - небольшая книжка, повествующая очрезвычайно красивой и увлекательной граниудивительного мира современных неорганическихматериалов – об их микроструктуре, то есть о«портрете» на микро- и наноуровне. Создание новыхматериалов – несомненный приоритет для всехтехнически развитых стран, а работы в этомнаправлении всегда имеют высокий экономический,политический и социальный резонанс, приносяогромные дивиденды глобальному научно техническому прогрессу.
Новые открытия вмедицине,электронике,фотонике,сенсорике,спинтронике, нано- и биотехнологиях привели ксвоего рода ренессансу в развитиии неорганическойхимии, наблюдаемому в последние 10 – 15 лет.Значимость разработки современных технологий новых материалов, являющихсякритическими для дальнейшего развития Российской Федерации, подтверждаетсяпринятиемФедеральнойЦелевойНаучно-ТехническойПрограммы,финансирующей передовые работы в области современного материаловедения.Представленные в данной брошюре фотографии уникальны тем, что на нихизображены наиболее перспективные на сегодняшний день классы материалов,которые получены из вполне обычных и привычных всем нам веществ сиспользованием оригинальных инновационных технологий, развиваемых нафакультете наук о материалах и химическом факультете МГУ.
В этой брошюремы ограничились результатами работы научной группы полифункциональныхматериалов, возглавляемой д.х.н. Е.А.Гудилиным и являющейся частью кафедрынеорганической химии Химического факультета МГУ. Большинствопредставленных здесь иллюстраций было отмечено специальными призами IVВсероссийского конкурса научно-популярных фотографий «Наука-Обществу2005».
Мы надеемся, что эти материалы позволят наиболее полно ощутитьвысокую научную эстетику и – одновременно – сбалансированныйпрагматический реализм тех разработок, которые уже сделаны и ещенеоднократно будут свершаться в стенах Московского Университета.Декан ФНМ МГУ, зав. каф. неорг. химии Химфака МГУ, акад.Ю.Д.Третьяков2Исследованиемикроинаномирасовременных материалов не только приноситглубокое эстетическое удовлетворение отсозерцания его приоткрывшихся тайн, но идает возможность существенно упроститьпуть их создания, который в противномслучае часто оказывается долгим итернистым.Путь создания материалов (в аллегорической форме).Здесь собрана фотогалерея избранныхмикроструктур нескольких перспективныхклассовсовременныхнеорганическихматериалов.
Все фотографии - плодмноголетнихнаучныхисследований,представленныйвформесугубо«ненаучного» отчета о деятельности группыполифункциональныхматериаловзапоследнюю научно – исследовательскуюпятилетку. Специфика группы, созданнойпрофессором МГУ Н.Н.Олейниковым втесном сотрудничестве с Факультетом Наук оМатериалах МГУ, в том, что даже самые«маленькие» студенты начинают своюнаучно-исследовательскую работу с 1 курса.Именнонатакихлюбопытствующихэнтузиастов,намолодоепоколениеисследователей, делающих свой научныйвыбор, и рассчитана эта небольшая брошюра.Большую часть информации о миречеловек получает визуально.
Давно уже ушлив прошлое органолептические методыисследования веществ алхимиками. Однако внастоящее время в связи с бурным развитиемтехнических возможностей, которые ещесовсем недавно были не более, чем мечтоймногих ученых, все большее значениеприобретаютразличныеметодывизуалиизации микроструктуры материалов –как на уровне сотых и тысячных долеймиллиметра (ОМ, РЭМ), так и на наноуровне– то есть на шкале размеров всего десятковили сотен атомов (АСМ, ПЭМ). Магнитные исверхпроводящие материалы, материалы дляфотоники, ионики твердого тела, биологии имедицины,атакженаноматериалыформируют «ядро» современных материалов,которое притягивает к себе, вовлекает в своюорбитуисследователей,занимающихсямикроструктурнымиисследованиямиинаиболее передовыми методами анализа.Красота, как известно, обманчива,поэтомувинструментальномпланеисследования микроструктуры материаладолжны непременно дополняться мощнымкомплексомдругихметодовфизикохимического анализа: состава (РСМА),структуры (РФА, РстА, ЭД, ИКС, УФС) исвойств (ТГА, ВАХ, СКВИД, БЭТ и пр.).
Видеологическом плане микроструктурныеисследования, сколь бы эффектными они нибыли, должны быть эффективными в целомдля исследования того или иного типаматериалов, а не являться самоцелью.«Красивый» материал не должен быть«пустышкой», за внешней красотой егомикроструктуры должны прослеживатьсяновые перспективы его практическогоиспользования;анализмикроструктуры,помимо всего прочего, может играть такжеключевую роль в понимании механизмов иконтролепроцессовформированияматериалов с желаемыми характеристиками всилусуществованияфундаментальных3корреляций«состав-структура-микроструктура - свойства».Комплексный подход к исследованию современных материалов,использованный и для характеризации представленных в настоящей работеобразцов в рамках работы ЦКП. ОМ – оптическая, РЭМ - растроваяэлектронная микроскопия, АСМ - атомно-силовая микроскопия, ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия, РСМА - рентгеноспектральныймикроанализ, РФА - рентгенофазовый, РстА - рентгеноструктурный,анализы, ЭД - дифракция электронов, ИК – спектроскопия в инфракрасной,УФ – в видимой и ультрафиолетовой областях, ТГА – термический анализ,ВАХ – определение вольт-амперныххарактеристик, СКВИД – измерениемагнитных свойств, БЭТ – опредение площади поверхности образцов.Полийункциональныематериалы–материалы с нелинейными электрическими,магнитными, оптическими свойствами, чтоделает их одними из самых интересных сточки зрения как физика, так и химика, иобещаетрадужныеперспективыпрактическогоприменения.Так,рассматриваемые ниже манганитные вискерыне только являются ионными проводниками,но и могут выступать в качестве чрезвычайномеханическипрочныхобъектов,чтопринципиально отличает их от объемныхкристаллов (раздел «Вискеры»).
Уникальноесочетаниефункциональных(ионнаяпроводимость) и конструкционных свойств(высокая прочность и гибкость) делаетвозможнымвперспективесозданиедолгоживущих тканевых электродов.Высокотемпературные сверхпроводникис крупнокристалической микроструктурой,полученные с использованием «расплавныхметодов», содержат огромное количестворазличных дефектов, но именно в этом случаедефекты являются благом и вводятсяспециально для того, чтобы существенноповысить уровень сверхпроводящих токов(раздел«Высокотемпературныесверхпроводники»).Ажурнаямикроструктуракупроманганитовсколоссальныммагнетосопротивлением, вредная для большинства«обычных» типов керамических материалов,способствует достижению нового уровнясвойствпосколькудляданногоспецифического типа материалов характеренбольшойвкладтуннельногомагнетосопротивления,вкоторомпоопределениюучаствуютнесамикристаллиты, а границы раздела между ними(«перешейки»,формирующиеажурнуюмикроструктуру, раздел «Манганиты дляспинтроники»).4Строгая красота фотонных кристаллов«вынужденная»еслимикросферыразупорядочены, то такой материал инекрасив (и внешне, и на микроуровне), ибесполезен.
И только четко упорядоченныемикросферы приводят к игре света в опалах,и к созданию новых устройств быстроразвивающейся области исследований –фотоники (раздел «Фотонные кристаллы»).Иерархичность структуры листа древа (прожилки образуют дендрит).рализуется за счет наличия молекулповерхностно-активныхорганическихмолекул «шаблона», расположение и дажеконформация которых тесно связана сформой и размером нанотрубок, а такжесредней степенью окисления ванадия, чтопредопределяет большинство уникальныхсвойств нанотубулярных форм оксидов 3d –элементов. Кроме того, такие нанотрубки несуществуют в изолированной форме из-завысокойповерхностнойэнергии,аформируютсвоеобразные«жгуты»,состоящиеизогромногочислананотубуленов.Еще одна важная черта современныхфункциональныхматериалов–иерархичность их структуры, то есть наличиетех или иных структурных особенностей, техили иных дефектов на различных уровнях ихпространственнойорганизации.Так,высокотемпературные сверхпроводники (см.раздел«Высокотемпературныесверхпроводники») являются наиболее яркимпримеромвзаимосвязииерархическойорганизации материала и его практическиполезных,функциональныхсвойств.Микронные по толщине «декорированные»манганитные вискеры с искусственновыращенныминаихповерхностинаноразмерными кристаллитами гидратированногодиоксидамарганца,имеютзначительно большую площадь поверхности,что значительно повышает их эффективностькак каталитически и электрохимическиактивного материала.
Наконец, многостенныенанотрубки на основе пентоксида ванадия(раздел«Наноматериалы»)являютсягибриднымнеорганоорганическимматериалом, в котором тубулярное строениеВсе приведенные фотографии собраны вотдельные циклы, которые предваряютсякороткими объяснениями.
В ряде случаев вконце пояснений приводятся фамилииисполнителей данной темы, а также 1-2публикации группы, где можно найтиосновные детали проведенной работы.Руководитель группыд.х.н., проф. Е.А.Гудилин5СодержаниеВискерыс.7Манганитыдля спинтроникис.23с.26Высокотемпературныесверхпроводникис.46Рисунок из«молекул жизни»с.52Фотонныекристаллыс.59Нанотрубкис. 66Центр коллективногопользования6Вискеры*AIIIBV и AIIBIV с полупроводниковымисвойствами (GaN, ZnO, InSb). Несомненнаяперспективность этого направления связана сразвитием химии и физики наносистем,поскольку упорядоченный ансамбль такихнановискеров может рассматриваться вкачествесистемысуникальнымиоптическимисвойствами,вкоторыхпроявляются квантовые эффекты («квантовыеточки», «квантовые нити», в ряде случаевтакие системы рассматриваются в контекстедизайна «фотонных кристаллов»).В то же время до сих пор не существоваловоспроизводимых и относительно дешевыхспособов получения вискеров с желаемымифункциональнымихарактеристиками–нелинейнымимагнитнымии/илиэлектрическимисвойствами,атакжесуперионной проводимостью, что, вообщеговоря, явилось бы чрезвычайно важнымшагом в области создания принципиальноновых типов кристаллических материалов.
Вбольшинстве случаев это связано с тем, чтонаданныймоментнесуществуетуниверсальнойметодикивыращивания«усов» химически сложного состава.Прогресс в микроэлектронике, медицинеи экологии во многом определяется уровнемразработоквобластисуперионныхпроводников. Вискеры, при наличии у нихособойкристаллическойструктуры,обуславливающей смешанную электронноионнуюпроводимость,возможностиинтеркаляции – деинтеркаляции и высокойподвижности ионов во внутренних открытыхполостяхструктуры(межслоевоепространство, туннели и пр.), могут бытьиспользованы для создания электродных имембранных материалов нового поколения всилу уникального сочетания выдающихсямеханических свойств и суперионнойпроводимости.Кдостоинствампотенциальных электродов из нитевидныхкристаллов относятся также возможностьлегкого придания желаемой формы идешевизна.
В целом, совокупности указанныхтребований удовлетворяют гибкие тканевыеэлектроды, полученные из неорганическихволокон с туннельной или слоистойструктурой, состоящие из элементов, легкоизменяющих свою степень окисления (вчастности, оксидов d-элементов).Вискеры (от англ whisker – волос, шерсть;«усы», неорганические волокна) – этонитевидные кристаллы c диаметром от 1 до10 мкм и отношением длины к диаметру>1000. С точки зрения как фундаментальнойнауки, так и практики вискеры являютсяоднимизнаиболееперспективныхкристаллических материалов с уникальнымкомплексом свойств. Они, как правило,имеют совершенное, почти идеальноебездислокационное строение, что исключаетобычныемеханизмыпластическойдеформации и приближает их прочность ктеоретическому для данного вещества порогу.Вискеры в десятки и даже сотни раз прочнееобычныхкристаллов,ониобладаютпоразительной гибкостью, коррозионнойстойкостьюикристаллографическойанизотропией свойств.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
