Зарегистрироваться

Наноматериалы и нанотехнологии

Категории Неорганическая химия | Под редакцией сообщества: Химия

Ускоренное развитие науки и промышленных производств, их материальной и инструментальной базы, компьютерного обеспечения привели к подходу и освоению нанометровых масштабов объектов и измерительных приборов и тем самым - к переходу к нанотехнике и нанотехнологии. Лавинообразное развитие науки и техники в середине 20-го века, связанной с военным противостоянием государств НАТО и Варшавского договора, позволило, помимо чисто военных аспектов ( ядерное оружие, ракетная техника, авиация и др.) заложить основы новых подходов (фрактальная геометрия и физика, компьютерное моделирование, нелинейная динамика, сверхвысокие давления и многие др.), которые потребовали резко расширить масштабы и доступность информации и соответствующих физико-математических знаний. В результаты научный мир приступил к изучению так называемого наномира (нанос – по гречески карлик). Началось интенсивное и многостороннее исследование наноразмерных (порядка 10-9 м) структур и объектов, получивших названия «наночастицы», «наноструктуры», «нанокомпозиты», «нанотехнологии», физиками, химиками, биологами, технологами, математиками. Объекты этого мира по размерам находятся между  элементарными частицами, атомами и молекулами, где действуют законы квантовой механики, с одной стороны, и макромиром, где справедливы законы классической физики, с другой стороны.

Объекты макромира состоят из огромных количеств образующих их атомов и молекул и обладают однородными (гомогенными) и неоднородными (гетерогенными) структурами. Следует отметить, что даже в самых однородных веществах имеются области локальных неоднородностей со своими особенностями, но из-за массивности объектов макромира все эти флуктуации и усредняются, и измеряемые средние интегральные характеристики и параметры описывают эти объекты в целом. Для макромира это совершенно естественно, и его характеристики однозначно определяются экспериментальными измерениями и теоретическими моделированиями.

С другой стороны, так же действенны и законы квантовой механики для мира атомов, молекул и элементарных частиц. Здесь все объекты одного типа (атомы одного сорта, электроны и др.) одинаковы и статистически неразличимы, что позволяет описывать их принципами и законами квантовой механики, статистической физики, физики и химии твердого тела.

Однако в наномире ситуация другая. Объекты наномира не информативно рассматривать как одинаковые и статистически неразличимые. Все они индивидуальны и отличаются друг от друга составом, строением, размером, термической и или механической историей. Нельзя игнорировать неоднородности и нерегулярности в строении наночастиц и описывать их усредненными характеристиками. Здесь процессы протекают в условиях, весьма далеких от равновесия, и объекты представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Поэтому для их описания и изучения используются подходы нелинейной динамики и фрактальной физики и системы нелинейных дифференциальных уравнений, имеющих несколько решений. Это приводит к необходимости заниматься проблемами эволюции нанообъектов, которая может протекать разными путями в зависимости от изменений внешних условий (зачастую весьма незначительных).

Для твердотельной технологии в электронике, физике и химии твердого состояния обеспечение движения электронов в микропространстве со строгим порядком образующих атомов требует конструирования и получения кристаллов с близким к идеальному расположению атомов в решетке-матрице с заданным распределением атомов легирующих примесей. Также необходимо создание на поверхности нанообъектов коммутационной разводки соответствующих размеров.

Соизмеримость размеров нанообъектов с имманентными физическими характеристиками (размер домена, дрейфовая длина и т.п.) вызывает различные размерные эффекты. Повышенная поверхностная энергия наночастиц приводит к метастабильному состоянию ультрадисперсных веществ. Так, у поверхностных нанометровых структур напряженности локальных электрических полей соизмеримы с внутренними полями (108-109 В/см). При этом могут иметь место изменения электронных зонных структур, могут изменяться межатомные расстояния, происходят перестройки кристаллических структур, вплоть до перехода в аморфное состояние.

Нанотехнология служит огромной областью новейших подходов и разработок. В зависимости от измерений объектов нанометровых масштабов нанотехнологии подразделяются на нульмерные (квантовые точки), одномерные (нанонити, наностержни, наноленты), двумерные (структуры на тонких пленках с одним  горизонтальным нанометровым размером) и трехмерные (нанодисперсные частицы и их агрегаты). К трехмерной нанотехнологии относятся также трехмерные структуры с микро- и макроразмерами, но с объемной структурой, построенной наномасштабными частицами (пористые материалы, полученные золь-гель методами, аэрогели, ксерогели, пористые стекла и др.).

В наноразмерных системах количества вещества на поверхности и в объеме соизмеримы, что коренным образом изменяет структуру и свойства твердого тела. Наноструктуру можно определить как множество наночастиц с функциональными связями между ними. Такие системы ограниченного объема при их взаимодействиями с другими веществами могут рассматриваться как своеобразные нанореакторы. Нанокомпозиты представляют собой объекты, где наночастицы упакованы в микроскопическую постройку с сильными межчастичными взаимодействиями. Для каждого типа таких взаимодействий нужно представлять изменения свойств материалов в зависимости от их размеров. В наноструктурах достаточно трудно провести разграничения между гомогенной и гетерогенной фазами, между аморфным и кристаллическим состояниями.

Наночастицы представляют собой системы с избыточной энергией и высокой химической активностью. Частицы размером ~1 нм без дополнительной энергии вступают в процессы агрегации с формированием укрупненных наночастиц и в химические реакции с другими соединениями. В результате возникают вещества с новыми свойствами. Их повышенная энергия определяется главным образом нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Обычно наночастицы получаются в неравновесном метастабильном состоянии. Это осложняет их изучение и использование, но также позволят осуществлять химические реакции и превращения, невозможные в равновесном состоянии.

Размерные эффекты особо характерны для нанохимии, где преобладают нерегулярные зависимости свойств от размера. Это может быть связано с изменениями свойств наночастиц при адсорбции реагента, соответствием геометрической структуры и структуры электронной оболочки. Изменения свойств наночастиц в зависимости от их размера варьируют, поскольку они обладают существенными статистическими флуктуациями, изменяющимися во времени. Наиболее  интересны частицы размером 1-100  атомных или  молекулярных диаметров, где наиболее часто проявляются эффекты, зависящие от числа атомов в наночастице.

Особенность тонких наноразмерных пленок и наночастиц состоит с том, что объем, занимаемый поверхностными слоями атомов и молекул, сопоставим с объемом самих этих объектов и даже заметно превосходит его. Такую пленку можно рассматривать как особую двумерную систему, свойства которой определяются исключительно свойствами поверхностного слоя, поскольку в них объемных слоев практически нет. Благодаря скомпенсированности связей атомов в объеме кристаллической решетки и их нескомпенсированности на поверхности, эти объекты представляют собой уникальные образования. При диаметре частиц 100=150 нм практически вся она представляет собой поверхность с уникальными свойствами, зависящими от размера частиц. При их диспергировании резко возрастает активность твердого вещества и скорость химического взаимодействия с окружением. Эта скорость пропорциональна площади поверхности. Для сильно дисперсных наночастиц характерна структурная, фазовая и концентрационная неоднородности и особый тип дальнего порядка. Здесь межатомные расстояния закономерно изменяются от центра частицы к ее поверхности. В результате возбужденное состояние атомов в решетке служит основной причиной физико-химической активности ультрадисперсных систем.

Развитие науки и техники позволило практически перейти в освоению нанометровых объектов - к нанотехнологиям. Их идеалом должны стать практически реализуемые технологии, позволяющие оперировать отдельными атомам и молекулами и проводить в промышленных масштабах атомную и молекулярную сборку. На этом пути возникает множество фундаментальных проблем: создание работающего нанометрового элемента, обеспечение его коммутации с аналогичными элементами устройства, методы обработки для получения требуемой структуры на всей поверхности подложки. С этим связаны проблемы создания многоуровневых систем (трехмерная технология) и решения вопросов трехмерной коммутации и отвода теплоты.

С точки зрения химии проблемы связаны с получением ультрадисперсных частиц, с размерными эффектами (квантового размера), многофазностью в одной наночастице, производство нанообъектов в граммовых и килограммовых количествах.

От развития нанотехнологий в будущем можно ожидать многих новых явлений в жизни отдельного человека и всего общества. Это – создание новых лекарств, новых оптических устройств, красителей, химикатов для уничтожения опасных химических соединений и биологических объектов (бактерий и микробов), очистки загрязненного воздуха и сточных вод и многое другое.

К перспективным разработкам относятся наноактюаторы, наноэлектромеханические системы, нанобатарейки, нановесы, нановолокна, нанострержни, квантовые точки, наноиндентеры, нанокапсулы, нанопереключатели, нанокерамика, нанокластеры, наноклеи, наноколъца, нанокомпозиты, нанокристаллы, нанолекарства, нанолитография, наноматериалы, наномембраны, нанонити (вискеры), нанопинцеты, нанополирование, нанопорошки, нанороботы, наносенсоры, наностекла, нанотермометры, наноэлектроника, наноэмульсии, наноэнергетика и многое др.

(Использованная литература: Наноазбука под ред. акад. Ю.Д.Третьякова, М., Физические основы микроэлектроники. В.И.Марголин, В.А.Жабрев, В.А.Тупик., М. изд. «Академия», М., 2008 г., 399 с.).

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.