12.3. Классификация наноматериалов.
Наноматериалы сравнительно новый вид материалов, и их классификация проводится приимущественно по признакам, присущим наноматериалам.
По количественному содержанию наночастиц в материале наноматериалы делятся на наноструктурированные материалы и нанодисперсионные материалы.
Наноструктурированные материалы образованы из непосредственно контактирующих между собой нанообъектов. Они изотропны по макросоставу.
Нанодисперсии состоят из среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твёрдое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нанообъекты. Расстояние между нано-объектами в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах от десятков нанометров до долей нанометра. Например, в нанопорошках нано-объекты разделены тонкими (часто – моноатомными) слоями из лёгких атомов, препятствующих агломерации наночастиц.
По характеру кристаллитной микроструктуры и составу наноматериалы подразделяют на две группы: простые наноматериалы и сложные наноматериалы. В каждой из групп могут быть как наноструктурированные так и нанодисперсные материалы.
К простым наноматериалам относятся приимущественно наноструктурированные материалы, содержащие в своем составе неупорядоченным (случайным) образом упакованные наноструктуры одинакового химического состава и размера. Как правило, такие материалы формируются на основе нанопорошков.
Группа простых наноструктурированных материалов велика, технологии их получения просты. К простым наноматериалам можно отнести наномодифицированные косметические материалы, защитные покрытия на текстильных материалах или других изделиях, смазочные покрытия, краски, лекарственные материалы, продукты питания, упаковочные материалы, бумагу, мембранные материалы, компактированые наноструктурированные керамики, разнообразные нанокомпозитные пленки, объемные нанокомпозитные материалы и т.д. Свойства простых наноструктурированных материалов определяются в значительной степени свойствами наноструктур, образующих объёмный потребительский продукт. Сами наноструктуры могут быть как однородными по химическому составу, простыми по форме и простыми по архитектуре, так и многокомпонентными и сложными по архитектуре. Простые наноструктурированные материалы – это материалы первого поколения. По мнению большинства экспертов, именно простые наноструктурированные материалы будут доминировать в сфере производства наноструктурированных материалов в ближайшие годы. По прогнозам именно на их долю будет приходиться 5 % мирового ВВП к 2015г.
Простые наноструктурированные материалы имеют улучшенные характеристики по сравнению с традиционными (ненаноструктурированными) материалами того же назначения. В большинстве случаев использование наноструктур вместо микроструктур приводит к улучшению свойств материала.
Сложные наноструктурированные материалы можно определить как многокомпонентные и иерархически организованные материалы. Иерархически организованные материалы содержат субструктуры разного уровня масштаба, вложенные друг в друга (типа «русской матрешки»). Такие материалы пока практически отсутствуют на рынке товарной продукции, но именно иерархически организованные материалы в будущем будут основными.
Биологические материалы относятся к «сложным» материалам и именно иерархичность их строения определяет их уникальные свойства и, в первую очередь, «разнообразие» их свойств при «однообразии» их химического состава. Примером искусственно созданных материалов, имеющих иерархическое строение, которые находят применение, являются фотонные кристаллы и микроструктурированные волокна.
По количеству измерений структурных составляющих наноматериалов, состовляющие классифицируют на:
нульмерные, квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы);
одномерные, квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки);
двумерные, квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов);
трехмерные, квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).
По классификации наноматериалов имеются решения авторитетных конференций. По рекомендациям 7 Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие виды наноматериалов,:
нанопороистые структуры;
наночастицы;
нанотрубки и нановолокна;
нанодисперсии (коллоиды);
наноструктурированные поверхности и пленки;
нанокристаллы и нанокластеры.
В классификации по размерному фактору к наноматериалам отнесены наноразмерные плёнки, получаемые в научно-исследовательских лабораториях с пятидесятых годов двадцатого века.
Классификация наноматериалов предложена Глейтером. Классификация базируется на взаимосвязи вида наноструктурного объекта, его нахождения в материале с способом получения данного материала. Выделены две основных группы материалов.
1. Материалы, содержащие изолированные наноразмерные объекты:
материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу. Материалы этой категории, полученные методами осаждения и конденсации, аэрозольными методами, используются, например, в полупроводниковой технике и как катализаторы
материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала. Для получения такого слоя используются разные методы, например ионная имплантация и лазерная обработка. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, значительно улучшаются за счет создания в них наноструктуры
Массивные наноматериалы, которые разделены на два класса:
наноматериалы, атомная структура и/или химический состав которых меняются по объему материала на атомном уровне. К таким материалам относятся стекла, гели, пересыщенные твердые растворы или имплантированные материалы получаемые преимущественно закалкой;
наноматериалы, состоящие из наноразмерных блоков (кристаллитов), которые могут различаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией, химическим составом, и областей между соседними блоками (границы зерен).
Характер распределения наноразмерных объектов в материале положен в основу ёще ряда классификаций (рис. 12.4, 12.5.).
В классификации наноматериалов по Р. Зигелю выделены четыре группы наноматериалов нулевую, а также первую, вторую, третью:
О – атомные кластеры и наночастицы;
1 – многослойный материал;
2 – наноструктурное покрытие;
3 – объемные наноструктурные материалы
Рис 12.4. Классификация наноматериалов по Р. Зигелю: О – атомные кластеры и наночастицы; 1 – многослойный материал; 2 – наноструктурное покрытие; 3 – объемные наноструктурные материалы
В литературе часто используется классификация наноматериалов на четыре категории, при этом рассматриваются как характеристики наноразмерного объекта так и характеристики самого изделия.
Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п... Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.
Рис. 12.5. Схема классификации наноматериалов по форме наноразмерных кристаллитов и их распределению в материале.
Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.
Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.
В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.
В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.
Рис. 12.6. Основные виды нано- и микроструктурированных материалов по Е.А. Гудилину.
Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов.
К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.
В классификации Е. А. Гудилина наноматериалы подразделены по их назначению, виду или способу получения (рис. 12.6.)