Получение наноматериалов (нанотехнологии).

Т а б л и ц а 3.2 — Основные методы получения наноматериалов

Технологическая группа	Основные методы	Объекты наноструктурирования
Порошковая технология	Метод Гляйтера (газофазное осаждение и компак тирование); электроразрядное спекание; горячая обработка давлением; обработка при высоких статических и динамических давлениях при обычных и высоких температурах	Металлы, сплавы, химические соединения
Интенсивная пластическая деформация	Равноканальное угловое прессование; деформация кручением; обработка давлением многослойных композитов; фазовый наклёп	Металлы, сплавы
Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния	Кристаллизация при обычных и высоких давлениях	Аморфные вещества
Плёночная технология	Химическое осаждение из газовой фазы; физическое осаждение из газовой фазы; электроосаждение; золь-гель-технология	Элементы, сплавы, химические соединения

В настоящее время основными областями применения нано- технологий в материаловедении являются получение материалов на основе новых структурных форм углерода (фуллеренов и нанотрубок), наноструктурных твердых сплавов, никелевой нано- структурной фольги, аморфно-нанокристаллических магнитных сплавов и др.

Наноструктурные элементы.

Фуллерены — новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом, была открыта в 1985 г. при попытках астрофизиков объяснить спектры межзвездной пыли. Оказалось, что атомы углерода могут образовывать высокосимметричную молекулу С₆₀. Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно 1 нм и напоминает футбольный мяч. Атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников. Первоначально молекулы получали в небольших количествах, а затем, в 1990 г., была открыта технология их крупномасштабного производства. Фуллерены могут быть не только чисто углеродными, но и наполненными молекулами инертных или других газов, небольшими органическими и неорганическими молекулами, атомами металлов (щелочных, щелочно-земельных, лантаноидов и др.).

Фуллериты — кристаллы, образованные молекулами С₆₀, имеющие гранецентрированную кубическую решётку со слабыми межмолекулярными связями. В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов (калием, рубидием, цезием), то при температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается, и образуется новый полимерный материал. Если заполнить также и тетраэдрические полости, то образуется сверхпроводящий материал с критической температурой 20–.40 К. Существуют фуллериты и с другими присадками, придающими материалу уникальные свойства. Например, С₆₀-этилен имеет ферромагнитные свойства. К 1997 г. насчитывалось более 9000 фуллереновых соединений.

Углеродные нанотрубки — цилиндрические молекулы с гигантским числом атомов углерода. Они представляют собой графитовые сетки, свёрнутые в трубки, и могут быть открытыми и закрытыми, одностенными, двустенными и многостенными. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников, являющихся ячейками в плоском графитовом листе. На концах закрытых нанотрубок помимо шестиугольных ячеек, характерных для структуры графита, присутствуют пятиугольные ячейки. Правильные пятиугольники (семиугольники) являются локальными дефектами в графитовом листе, позволяющими получить его кривизну. Комбинации правильных пяти-, шести- и семиугольников позволяют получать разнообразные формы углеродных поверхностей в трёхмерном пространстве. Геометрия этих наноконструкций определяет их уникальные физические и химические свойства. Для производства нанотрубок используют специальные катализаторы. Однослойные нанотрубки имеют размеры 1–10 нм в диаметре и длину 100–1 000 нм и более, а многослойные имеют диаметры и длину в 10–100 раз больше. Твёрдые тела могут быть образованы из жгутов нанотрубок или более коротких образований. В углеродных нанотрубках может быть различное наполнение. Помимо перечисленных в качестве наполнителей могут использоваться фуллерены меньшего диаметра. Нанотрубки могут быть построены и из неорганических молекул MoS₂, WSe₂ и других (неорганические нанотрубки). Углеродные нанотрубки могут быть проводниками или полупроводниками. Проводимость углеродных нанотрубок, легированных калием или бромом, при 300 К превышает проводимость чистых нанотрубок более чем в 30 раз. Углеродные трубки чрезвычайно прочны и упруги.

Нанокластеры. К множеству нанообъектов относят сверхмалые частицы — нанокластеры, состоящие из десятков, сотен или тысяч атомов. Свойства кластеров кардинально отличаются от свойств макроскопических объёмов материалов того же состава. Из нанокластеров можно целенаправленно конструировать новые материалы с заранее заданными свойствами и использовать их в каталитических реакциях, для разделения газовых смесей и хранения газов. Большой интерес представляют магнитные кластеры, состоящие из атомов переходных металлов, лантаноидов, актиноидов. Эти кластеры обладают собственным магнитным моментом, что позволяет управлять их свойствами с помощью внешнего магнитного поля. Взаимодействие кластеров в кристалле чрезвычайно мало.