Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
| нано
, которая означает нанометр (10 –9 м), т. е. конкретный масштаб размеров. В вышеперечисленных понятиях характеристика разме- ра строительных блоков отражается лишь относительно — ультра- или сверхмалый размер, поэтому такие понятия не являются количе- ственными. Понятие о наноматериале отличается и от другого широко рас- пространенного понятия о субмикрокристаллическом материале. Свойства субмикрокристаллических материалов, так же как и свой- ства наноматериалов, отличаются от свойств крупнокристалличе- ских, крупнозернистых и монокристаллических материалов. Однако отличие свойств связано с повышенной удельной поверхностью, что приводит к ускорению различных процессов, например химических реакций, но не приводит к уменьшению энергии активации процес- сов, т. е. к снижению минимальных температур начала атомных про- цессов. В субмикрокристаллических материалах размер частиц, зерен или строительных блоков предполагается меньшим микрометра. Ми- крометр, как и нанометр, является количественной характеристикой, однако между наноматериалами и субмикрокристаллическими мате- риалами существует принципиальная разница. Именно наносостоя- ние, а не субмикрокристаллическое состояние, является промежуточ- ным между молекулярным и твердотельным состояниями. Именно на нанометровых расстояниях формируются свойства твердого тела. В этом же заключается и физическая причина того, что значительное изменение свойств наблюдается в нанометровом режиме. Дело в том, что расстояние, на котором действуют основные силы взаимодействия в веществе, варьируется в диапазоне от одного до нескольких десят- ков нанометров. Необходимо отметить, что разные типы взаимодей- ствия: электрон-электронные, электрон-фононные, фонон-фонон- 6 Введение ные, магнон-магнонные и т. д. — простираются на разные расстояния в одном и том же веществе. В связи с этим проявление наноэффек- тов на разных свойствах в конкретном веществе может происходить при различных размерах наночастиц. Понятно, что ни о каком маги- ческом значении размера наночастиц как для одного и того же, так и для разных веществ говорить не приходится. Наноматериалы часто называют нанокристаллическими мате- риалами. Это тоже не всегда оправданно. Понятие о нанокристалли- ческом материале включает в себя то, что строительные блоки таких материалов — частицы или зерна — являются кристаллами. Однако наноматериалы, как правило, являются термодинамически нерав- новесными системами, а значит, и их строительные блоки не обя- зательно обладают хорошей кристаллической структурой, скорее, наоборот. Строительные блоки в наноматериалах имеют сильно де- фектную структуру, часто приближенную к аморфному состоянию. Другими словами, в строительных блоках большинства наноматериа- лов дальний порядок сильно нарушен, а роль многочастичных корре- ляций в расположении атомов берет на себя ближний порядок. В связи с этим часто и оправданно используют более точное и полное назва- ние наноматериалов — наноструктурированные материалы. Наноматериалы многообразны, поэтому существуют различные типы их классификации. Наиболее удачная классификация наномате- риалов выполняется по размерности строительных блоков или струк- турных элементов, из которых они состоят. Основными типами нано- кристаллических материалов по размерности являются нульмерные (0D), одномерные (1D), двухмерные (2D) и трехмерные (3D) нано- материалы. К нульмерным наноматериалам относят нанокластерные мате- риалы и нанодисперсии (суспензии, коллоидные растворы), т. е. та- кие материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. К одномерным наноматериалам относят нановолоконные (нанопрут- ковые) и нанотубулярные материалы. Причем длина волокон (прут- ков) или трубок может составлять от 100 нм до десятков микроме- тров. К двухмерным наноматериалам относят пленки с нанометровой толщиной. Часто наночастицы в 0D, 1D и 2D наноматериалах распо- ложены в какой-либо жидкой или твердой матрице или находятся на подложке. К трехмерным наноматериалам относят порошки, во- 7 локонные, многослойные и поликристаллические материалы, в ко- торых 0D, 1D и 2D частицы плотно прилегают друг к другу, образуя между собой поверхности раздела — интерфейсы. Важным примером трехмерного наноматериала является поликристалл с нанометровым размером зерен. В таком трехмерном наноматериале весь объем за- полняется нанозернами, а свободная поверхность зерен практически отсутствует, имеются только границы раздела между зернами — ин- терфейсы. Образование интерфейсов и «исчезновение» поверхности наночастиц в трехмерных наноматериалах принципиально важно для проявления свойств. Действительно, свойства сильно агломерированного нанопорош- ка могут существенно отличаться от свойств компактного нанома- териала, состоящего из частиц такого же размера, как и в порошке. Получению именно таких наноматериалов в последние два десятиле- тия уделялось огромное внимание. Именно такие трехмерные нано- материалы будут применяться в твердосплавной промышленности, авиастроении и других областях. Применение нульмерных нанома- териалов следует ожидать в медицине и биологии, а также в нано- электронике. Одномерные и двухмерных материалы уже с успехом используются в наноэлектронике, нанофотонике и т. д. |