НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Школа материаловедения

Направление обучения

«Наноматериалы и нанотехнологии»

Научно-образовательный семинар

Наноматериалы: получение, свойства, применение

Автор:

Доцент Конюхов Ю.В.

Москва 2015

Аннотация

Представлен научно-образовательный материал по направлению «Наноматериалы и нанотехнологии». В пакет входят следующие документы: образовательный материал, проиллюстрированный рисунками и схемами, тесты, темы рефератов, тесты для самоконтроля освоения материала, рекомендации к составлению материала к составлению реферата, основные положения, которые должны быть отражены при выполнении реферата на конкретную тему со списком рекомендуемой литературы.

Материал предназначен для школьников старших классов и слушателей «Школы материаловедения», абитуриентов НИТУ МИСиС.

Содержание

Введение и основные понятия	4
Наноматериалы	5
Наноэлектроника	10
Нанофотоника	16
Нанобиотехнологии	19
Наномедицина	25
Методы и инструменты исследования и сертификации наноматериалов и наноустройств	29
Технологии и специальное оборудование для опытного и промышленного производства наноматериалов и наноустройств	40
Список использованной литературы	50
Тесты для самопроверки	51
Темы рефератов	52
Список рекомендуемой литературы	54
Рекомендации по написанию рефератов	55

1. Введение и основные понятия

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, как и соответствующая терминология, появились сравнительно недавно. Однако её перспективы настолько грандиозны для нашей цивилизации, что необходимо широкое распространение основных идей нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.

На самом деле “нано” означает одну миллиардную (10^-9) долю чего-либо. Например, нанометр – одна миллиардная доля метра. Примерно таковы размеры молекул (поэтому часто нанотехнологию называют также молекулярной технологией). Для сравнения, человеческий волос приблизительно в шестьдесят тысяч раз толще одной молекулы.

Несмотря на то, что все явления природы тесно взаимосвязаны, человек привык изучать их с какой-либо одной стороны. Поэтому любая наука обладает собственной системой терминов и понятий, в которые вкладывает свой смысл.

В самом названии “нанотехнология” мы видим два существенных для нас термина – “нано” и “технология”. Определимся сначала со вторым понятием. Энциклопедический словарь определяет технологию (от греч. “techne” – “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos” – “наука”) как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции.

Задача технологии – использование законов природы на благо человека. Существуют “технологии машиностроения”, “технологии химической очистки воды”, “информационные технологии” и т.д. Перечисляя технологии, нельзя не вспомнить такое выражение, как “высокие технологии”. Давайте подумаем, в чем же их суть? Мы привыкли к тому, что высокими называют эффективные технологии, появившиеся сравнительно недавно, но не получившие еще повсеместного распространения. Как правило, это технологии из области микроэлектроники, и связаны они с удивительно маленькими размерами устройств.

Теперь дадим определение собственно “нанотехнологии. Нанотехнологии – совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов. Впервые термин «нанотехнология» был применен японским ученым К. Танигучи в 1974 году.

Общая структура нанотехнолгий:

3. Наноматериалы

4. Наноэлектроника

5. Нанофотоника

6. Нанобиотехнологии

7. Наномедицина

8. Методы и инструменты исследования и сертификации наноматериалов и наноустройств

9. Технологии и специальное оборудование для опытного и промышленного производства наноматериалов и наноустройств

2. Наноматериалы

Научные исследования, связанные с проблемой создания наноразмерных систем, проводились уже более 100 лет назад. Еще в 1857 году Майкл Фарадей синтезировал золото в коллоидном состоянии, размер частиц которого составляет от долей микрона до 10 нм. Т. Грэхем использовал термин «коллоид» для описания суспензий, содержащих частицы диаметром от 1 до 100 нм. В начале XX века коллоиды изучали такие знаменитости, как Д. У. Рэлей, Д. К. Максвелл, А. Эйнштейн. В это же время в США и Германии стали получать субмикронные порошки с использованием электрической дуги, плазмы, газовой конденсации.

Использование коллоидов можно считать одним из первых практических приложений наноматериалов. Также достаточно давно применяются такие вещества, как аэрозоли, гели, красящие пигменты, содержащие в качестве одной из составляющих ультрадисперсные частицы.

Объекты с размером 1-10 нм в последнее время называют наночастицами. Нижняя размерная граница существования наночастиц весьма размыта. Она может определяться переходом от кристаллической фазы к квазимолекулярной или с икосаэдрическим строением, имеющим симметрию пятого порядка. Столь малые образования принято называть кластерами.

Кластеры (от англ. «cluster», букв. — пучок, рой, скопление) — группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов (рис. 1).

Рис. 1 Общий вид кластеров.

Определением верхней размерной границы наночастиц может служить соотношение числа поверхностных и внутренних атомов. В частности, в химии критерием отнесения объекта к наночастицам (а, например, не к ультрадисперсным средам) считается примерное равенство количества поверхностных и объемных атомов. В зависимости от формы наночастицы этому критерию соответствует 10³-10⁵ атомов.

Под нанокристаллическими (наноструктурными, нанофазными, нанокомпозитными) материалами принято понимать такие материалы, у которых размер отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении.

На рис. 2 представлено распределение дисперсных материалов, согласно приведенной выше классификации.

Рис. 2. Распределение дисперсных материалов.

Дисперсные фазы в реальных системах имеют разнообразную форму: это могут быть сферы, иголки, чешуйки, цилиндры, неравноосные образования. Кроме того, дисперсную фазу могут составлять покрытия, пленки, мембраны, нити, капилляры, различные волокна, поры. В связи с этим, классификация дисперсных систем по мерности основывается на геометрии или числе измерений характерных размеров дисперсной фазы. Характерными следует считать такие размеры, которые определяют дисперсность.

Дисперсность — величина, обратная размеру частиц дисперсной фазы.

Характерные размеры и дисперсность трехмерных тел определяются в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

По современной классификации к одномерным наноматериалам относят тела, у которых только один размер определяет дисперсность (рис. 3, а). Таким образом, нольмерные материалы - кластеры, наночастицы и нанопорошки. К одномерным материалам относятся пленки, мембраны, покрытия, толщина которых измеряется в нанометрах, а два других измерения имеют макроскопические размеры (рис.3, в).

Дисперсность двумерных тел характеризуется двумя размерами, которые определяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а третий размер L на дис­персность не влияет (рис. 3, б). Двумерные системы составляют волокна, нити, капилляры, которые имеют макродлину, а два других размера измеряются в нанометрах.

К трехмерным наносистемам относятся объемные наноматериалы.

Рис. 3. а – нульмерные ; б – двумерные; в – одномерные дисперсные фазы. К трехмерным относятся объемные наноматериалы.

Полная классификация наноматериалов по типу, по составу и по назначению приведена на рис. 4.

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты. Благодаря уникальности свойств наноматериалов области их применения интенсивно расширяются.

Рис. 4. Классификация наноразмерных наноматериалов