Глава 3

3 Наночастицы, нанонаука, нанотехнология, нанофизика, нанохимия, наномеханика, нанобиология, наномедицина и т.Д., закон Мура

3.1 Механические свойства нанокристаллических материалов

Нанотехнология связана с рассмотрением объектов и процессов в нанометровом диапазоне. В наномасштабах проявляются новые уникальные свойства материи относительно макромира. Приведем несколько примеров.

1.Увеличение прочности на растяжение и твердости в 5 раз нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерам.

Механические свойства обычного и нанокристаллического никеля.

Свойства обычный(100 мкм) нано(100 нм) нано(10 нм)

Прочность, МПА(25^оС) 103 690 более 900

Предельная прочность

на растяжение,МПА(25^оС) 403 1100 более 2000

Твердость по Викерсу,кг/мм² 140 300 650

2. Добавка наноструктурированного алюминия в ракетное топливо резко меняет скорость горения. При добавлении порошка нано-А1(менее 100 нм) в ракетное топливо скорость горения возрастает при этом с 12 до 155 мм/с.

3. Самоочищающиеся наноструктурированные материалы, в частности, наночастицы оксида титана обладают свойствами очищаться от загрязнений. Это материалы интересны для строительной техники. Появляются первые сообщения о том, что одежда может быть самоочищающаяся.

4. Добавка нановолокнистых материалов в фильтры для очистки воды позволяет уменьшить на 6 порядков содержание в ней вирусов. Очистка воды от вирусов с помощью биофильтров на основе нановолокнистых материалов.

Толщина, нм Вес,% нановолокна % удаления

1,1 0 8

1,2 2 14

1,0 5 29

1,1 8 94

1,1 20–70 99,9999 – 99,99999

5. Наночастицы будут одним из средств доставки лекарств. В частности, они позволят преодолеть так называемый кровяной барьер при питании лекарствами мозга, что очень важно для многих медицинских проблем.

6. Использование наночастиц серебра очень эффективно для лечения разнообразных ран.

Именно по этой причине важно установить закономерности влияния размеров частиц – размерного фактора – на поведение физических, химических, механических свойств рассматриваемой системы. Размерные эффекты – это совокупность явлений качественного изменения свойств изучаемого объекта (физико-химических, электрических, механических, оптических и др.) в зависимости от его размеров и числа атомов в нанометровой частице.

Исходным знанием для анализа размерных эффектов служит знание свойств отдельных атомов и молекул на основе законов квантовой электродинамики, а также учет взаимодействий между ними на расстояниях порядка нескольких атомных радиусов. В результате взаимодействия между наночастицами могут образовываться наноструктуры или с прочными связями и высокими энергиями взаимодействия (например, ковалентные или металлические связи) или со слабыми связями (Ван дер Ваальсовские или водородные).

Методы синтеза наночастиц в настоящее время приводят к их получению в неустойчивом метастабильном состоянии. Стабилизация наночастиц и ассоциатов наночастиц – кластеров зависит от ряда факторов. Основные из них – это характер и энергия внутренних связей, тип взаимодействия с окружающей средой, влияние температуры и, наконец, учет квантовых эффектов взаимодействия отдельных атомов, ионов, электронов, элементарных частиц. Чем меньше размер частицы и ниже температура, тем в большей степени необходим учет квантового фактора. Кластер или наноассоциат будут тем более длительное время сохранять свою конфигурацию и свойства, чем больше энергия взаимодействия между частицами внутри кластера относительно внешней энергии взаимодействия, а также чем выше энергия внутреннего взаимодействия относительно тепловой энергии распада частиц (К_БТ, где К_Б – постоянная Больцмана).

Для наночастиц обычно выделяют два типа размерных эффектов – внутренний (или собственный) и внешний. Первый – внутренний размерный эффект – характеризует энергетические и пространственные взаимодействия между отдельными элементами, составляющими данный наноассоциат (кластер). Второй – внешний размерный эффект – характеризует реакцию, отклик наноассоциата как целого на внешнее воздействие, воздействие окружающей среды.

Специфика размерных эффектов в большей степени проявляется в малых наночастицах, когда число атомов в объеме соответствует числу атомов на поверхности (границе) такой наночастицы. В зависимости от типа атомов этому критерию соответствует число атомов в частице менее 10⁵ и усредненному размеру ее менее 10 нм. Для таких частиц в нанохимии наблюдается очень сильная зависимость физико-химических свойств вещества и их реакционной способности от числа атомов. Поэтому свойства веществ и их соединений в соответствии с периодическим законом Д.И.Менделеева требуют учета размерных эффектов в наномире. В ряде источников сделано предположение, что периодическая система Д.И. Менделеева в нынешнем виде является разрезом более сложной трехкоординатной системы, в которой вдоль третьей оси, перпендикулярной к плоскости таблицы, отложены числа атомов в наночастице. Это число может рассматриваться в качестве критического параметра. Например, известен факт, что потенциал ионизации отдельного атома чаще всего значительно превышает работу выхода электрона из макрообъема материала. Исследования зависимости потенциала ионизации и электронного сродства кластеров металлов от числа содержащихся в этих кластерах атомов N показали, что измеряемые величины при N меньшем, чем 100–200 изменяются не монотонно, а скачком. Были также обнаружены сильные зависимости от N магнитного момента, поляризуемости, формы кластера и химической активности. В связи с этим возникает возможность получения материалов путем контролирования числа N в кластерах и их дальнейшего использования в качестве либо новых материалов, либо структурных элементов или устройств. Особенный интерес представляют нанокристаллические наноматериалы с размером наночастиц 1–10 нм, у которых отношение числа поверхностных атомов достигает очень больших значений по отношению к числу атомов, находящихся в объеме. Грани и углы таких кристаллитов содержат атомы с малыми значениями координационного числа, что создает очень большое количество каталитически активных центров. Важно отметить следующие проблемы, возникающие при использовании таких материалов в химической технологии:

• сложность стабилизации формы и размеров кристаллитов;

• получение нанокристаллитов заданных размеров. При этом надо учитывать, что они будут длительно работать в изменяющемся окружении;

• создание технологий, обеспечивающих термическую и химическую стабильность получаемых нанокристаллитов, поскольку вполне очевидно, что в результате длительной работы чем меньше наночастица, тем легче она подвергается деформации, агрегации, деформации, разложению (отравлению) или другим химическим или термическим воздействиям, способным изменить ее форму, состав и строение.

Если рассмотреть, например, алюмосиликаты (цеолиты), характеризующиеся дальним порядком кристаллической решетки и применяемые в качестве адсорбентов или катализаторов при введении туда каталитических центров, то мы можем привести следующие величины размеров входных окон в каналах в зависимости от числа атомов кислорода в циклической структуре (табл. 3.1).

Таблица 3.1 - Размер окон цеолитов в зависимости от числа атомов кислорода в циклических структурах.

Число атомов кислорода в циклической структуре	Диаметр окно, нм
4	0,12
5	0,20
6	0,28
8	0,45
10	0,63
12	0,80

Из приведенных данных очевидна целесообразность применения таких материалов для разделения химических реагентов. Например, нормальный гексан с молекулярно-кинетическим диаметром 0,51 нм легко проходит через каналы с кислородным числом десять, в то время как прохождение циклогексана с молекулярно-кинетическим диаметром 0,69 нм вызывает большие затруднения. Размер пор может регулироваться от долей до десятков нанометров в зависимости от характера газовой смеси, которую нужно разделить. Именно эти свойства делают цеолиты весьма ценными высоко избирательными катализаторами, селективными сорбентами и мембранами для применения в химической технологии, электротехнике и системах очистки.