9.2. Наноматериалдар қасиеттерінің ерекшеліктері

Наноматериалдар мен нанобөлшектер қасиеттерінің неғұрлым күшті өзгерістері кристаллиттер өлшемі 10..100 нм болғанда орын алады. Мұның негізгі физикалық себетерін 9 суреттен көрсетуге болады. Нанобөлшектер үшін жұқа беттік қабаттағы қабаттағы атомдар үлесі (~ 1 нм), микробөлшектермен салыстырғанда айтарлықтай артады. Беттік атомдарда көршілес атомдарға байланысты барлығы қосылмайды. Беттің көтеріңкі тұстарындағы атомдар үшін байланыстардың қанығуы одан да жоғары. Нәтижесінде бет астындағы қабатта кристалл торының күшті бұрмалануы орын алады және тіптен тор типінің ауысуы орын алуы мүмкін. Басқа аспект еркін беттің кристалл ақауларының жиналу (құю) орны болатындығы. Бөлшектер өлшемі кіші болғанда олардың концентрациясы құрылымдық ақаулардың бетке шығуы салдарынан және нанобөлшек материалын құрылым ақаулары мен химиялық қоспалардан тазалағанда айтарлықтай артады. Деформация және бүліну процестерінің жұқа бет астындағы қабатта метал материалдың ішкі көлемімен салыстырғанда алға оза отырып жүретіндігі анықталды, бұл көбінесе механикалық қасиеттерді (мықтылық, пластикалық) анықтайды.

Наноматериалдар спецификасының келесі себебі наноматериалдардағы түйіршіктер немесе кристаллиттер өлшемдерінің кішіреюімен бірге бөліну шекарасының көлемдік үлесінің ұлғаюы болып табылады.

9.3 сурет. а)- наноқұрылымды материалдың атомдық моделі (ығысу атомаралық қашықтықтардың 10 %-ынан асатын дәнекті облыстың атомдары қарамен белгіленген); б) – наноқұрылымды мыстағы дәнек шекарасы (көрінетін электрондық микроскопия).

Эксперименттік зерттеулер дәнек шекарасының дәнек шекаралық ақаулардың жоғары концентрациясының болуына негізделген тепе тең емес сипатта болатындығын көрсетті (9.3 - сурет). Бұл тепе тең болмау дәнек шекараларының энергиясының артық болуымен және алыстан әсер тететін серпімді кернеулердің болуымен сипатталады. Мұнымен қоса дәнектер шекарасы кристаллографиялық реттелген құрылысқа ие, ал серпімді өрістер көздері дәнек шекаралық ақаулар болып табылады. Шекараның тепе тең болмауы кристал торының бұрмалануын, атомаралық қашықтықтың өзгерісін және реттілік бұзылғанға дейін атомдардың айтарлықтай ығысуының пайда болуына әкеледі. Нәтижесінде микро қаттылық айтарлықтай жойылады. Наноматериалдардағы маңызды фактор кластерлердің ( атомдар, молекулалар . жинақталуы) пайда болуы. Бет бойымен және бөліну шекарасымен атомдар миграциясының (атомдар тобының) жеңілдеуі, сонымен қатар олардың арасында тартылыс күшінің болуы, көбінесе аралшалы, бағанды және басқа да кластерлік құрылымдардың өзіндік реттелу процестеріне әкеледі. Бұл эффектті оптика мен электроникада реттелген наноқұрылымдар жасау үшін қолданады. Наноматериалдар қасиеттерінің спецификасының тағы бір себебін тасымалдау процестерінде (диффузия, электро- және жылуөткізігіштік және т.б. ) осы тасымалдауды іске асыратын тасымалдаушылардың L_e эффективті еркін жүру жолы орын алатындығымен байланыстыруға болады. Кіші өлшемдерге ауысқанда L_e тасымалдау жылдамдығы өлшем мен пішінге тәуелді болады, және ережеге сай күрт артады. L_e ретінде мысалы электронның еркін жүру жолы алынуы мүмкін. Кристаллиттер өлшемдері D < 10 нм төменгі нанодиапазонда кванттық өлшемдік эффектілердің пайда болу мүмкіндігі пайда болады. Кристаллиттердің мұндай өлшемдері электрон үшін дебройль толқын ұзындығымен шамалас болады. Металдар үшін λ_В≈0,1…1 нм, ал бірқатар жартылай өткізігіштер, жартылай металдар және аралық металдардың қосылыстары үшін λ_В≈5…100 нм. Энергиясы аз кез келген бөлшек үшін (бөлшек жылдамдығы v << c ) де Бройль толқын ұзындығы λ_В = h/mv деп анықталады, мұндағы m және v – бөлшектің массасы және жылдамдығы масса, ал h – Планк тұрақтысы. Кванттық эффектілер жеке алғанда, электрлік қасиеттердің осцилляланушы өзгерісі түрінде, мысалы өткізгіштік немесе электрондардың стационар энергетикалық қасиеттерінің пайда болуынан байқалады.