Нанотехнологии в металлургии
Самосборка, самоорганизация и самособирающнеся слои
жүктеу/скачать 0.95 Mb.
|
| Самосборка, самоорганизация и самособирающнеся слои
Использование процессов самосборки и самоорганизации наночастиц подразумевает направленный выбор и задание таких свойств поверхности, чтобы в ходе дальнейшего роста на такой поверхности происходило спонтанное образование структур с желаемыми геометрическими характеристиками. К самосборке в том числе относятся реакционные методы, такие как химическое образование коллоидных полупроводников. Данная технология представляет собой наглядный пример исследования и развития подхода «снизу-вверх» к созданию комплексных наноструктур на различных пространственных масштабах. Многие процессы самосборки опираются на самоупорядочивающуюся природу органических молекул, в том числе комплексных соединений, таких, например, как ДНК. Такая самосборка называется химической или молекулярной. В целом молекулярная самосборка определяется как спонтанная орг анизация относительно жестких молекул в агрегаты с четко выраженной структурой через слабые обратимые взаимодействия, например, водородные, ионные, ван-дер-ваальсовы связи. Лфегированные струкгуры представляют собой структуры с минимальной энергией или равновесные фазы. Явления самосборки также наблюдаются в биологических системах, мицеллах и жидких кристаллах, что все чаще используется в синтетической супрамолекулярной химии. В других, более простых методах, используется геометрическая самоорганизация, в силу которой жесткие сферы или стержни упорядочиваются в двумерные и трехмерные структуры в соответствии с принципами упаковки. Например, коллоидные растворы металлических частей могут спонтанно упорядочиваться на заданной подложке в двумерные слои с гексагональной плотной упаковкой. К геометрической самоорганизации также тяготеют такие молекулярные системы, как стержнеобразные и дискообразные жидкие кристаллы. Разновидностью геометрической самоорганизации является самоорганизация по шаблону — процесс, в котором упорядоченная наносгруктура образуется в результате осаждения материала на ранее самоорганизовавшийся материал-шаблон. Этот подход может использоваться для производства металлических и полупроводниковых структур посредством применения различных методов осаждения материалов на геометрически самоорганизованные полистироловые или кремниевые сферы субмикронных размеров. Последующее растворение этих сфер позволяет получать высокопористые струкгуры. Более сложные процессы самосборки включают в себя использование самособирающихся монослоев. Самособирающиеся монослои содержат органические молекулы, функциональные характеристики которых можно изменить при помощи химической обработки или излучения (например, лигшрафии) таким образом, чтобы обеспечить выборочное прикрепление последующих слоев и задание требуемого направления кристаллического роста. Концы молекул обычно оканчиваются тиоловой группой, обеспечивающей высокую адгезию с золотой подложкой. Упорядочивание молекул на подложке зависит от таких условий, как их концентрация, pH, температура. Другим важным видом процессов самосборки является самоупорядочивающийся рост полупроводниковых квантовых точек. Получение наноматериалов металлической природы (литые сплавы, продукция порошковой металлургии) фактически происходит одним из перечисленных выше методов. Однако можно выделить два наиболее перспективных направления производства металлических материалов наноуровня - порошковая металлургия и интенсивная пластическая деформация (таблица 2.3). Таблица 2.3 - Основные методы получения металлических наноматериалов
Основными характеристиками конструкционных материалов (к которым относятся большинство сталей и сплавов) являются: предел текучести, предел прочности, предел усталости, износостойкость, вязкость разрушения (критический коэффициент интенсивности напряжений для острых концентраторов и трещин С/с). Все перечисленные характеристики являются структурно-чувствительными, т. е. могут управляться посредством целенаправленного изменения структуры, в частности, изменением номенклатуры и концентрации структурных дефектов, размером зерен, ячеек и других субструктурных единиц. Типичная обобщенная зависимость прочностных показателей от концентрации структурных дефектов показана на рисунке 2.10. Она имеет вид кривой с минимумом в области, где располагается большинство традиционных конструкционных материалов (стали, чугуны, бронзы, алюминиевые сплавы и т.д.). Из этого следует, что для улучшения физико-механических характеристик можно использовать обе восходящие ветви этой зависимости, т. е. или резко уменьшать число атомарных дефектов в решетке, приближаясь к идеальному порядку (монокристаллы, усы, нанотрубки), или, напротив, увеличивать их число, стремясь к нанокрисгаллическому или аморфному состоянию материала. жүктеу/скачать 0.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|