nano_1_97_4_lec

розвиток нанотехнологій як для цілеспрямованого створення нових на-

номатеріалів, так і пошук та використання природних об'єктів с наност-

руктурними елементами, створення готових виробів з використанням на-

номатеріалів та інтеграція наноматеріалів і нанотехнологій в різні галузі промисловості та науки;

створення засобів і методів дослідження структури і властивостей нано-

матеріалів, а також методів контролю та атестації виробів і напівфабрика-

тів для нанотехнологій.

Початок XXI сторіччя ознаменувався революційним початком розвитку нанотехнологій і наноматеріалів. Їх вже використовують у всіх передових краї-

нах світу у найбільш важливих сферах людської діяльності (промисловості,

обороні, інформаціній сфері, радіоелектроніці, енергетиці, транспорті, біотех-

нології, медицині). Аналіз росту інвестицій, кількості публікацій з даної тема-

тики та темпів впровадження фундаментальних та пошукових розробок засвід-

чує, що в найближчому майбутньому використання нанотехнологій та наноматеріалів буде одним з визначальних факторів наукового, економічного та оборонного розвитку держав. Декотрі експерти навіть передбачають, що XXI

сторіччя буде сторіччям нанотехнологій ( за аналогією з тим як XIX — сторіч-

чям пари, а XX — сторіччям атома і комп'ютера).

В провідних країнах вважається, що запорукою швидкого і успішного за-

провадження нанотехнології є забезпечення належної професійної підготовки нового покоління дослідників, інженерів і робочих, здатних працювати у цій новій, достатньо складній і мультидисциплінарній галузі науки і техніки. На-

приклад, декотрі загальноосвітні дисципліни з наук про наноматеріали і нано-

технології, вже викладають в університетах США. Ключову роль у фінансуван-

ні у США освітніх програм і професіональної підготовки в областях, прямо або побічно пов'язаних з нанотехнологіями, відіграють уряд і бізнесові кола.

Цікаві факти:

один нанометр — розмір приблизно у 50000 разів менший за товщину во-

лосини людини;

11

площа поверхні срібної монети вагою 5 г, яку розщепити б на наночасто-

чки, буде співрозмірна з площею футбольного поля.

Інші цікаві розмірні та відносні характерні параметри ультра дисперсних часточок наведені у таблиці 1.

Таблиця 1 — Характерні параметри часточок залежно від їх радіусу

12

Лекція 2

Загальні положення та поняття. Основи класифікації нанотехнологій Нанотехнологіями (рос. нанотехнологии, англ. nanotechnologies, нім.

Nanotechnologien f pl), інша назва наномолекулярні технології — у широкому значенні слова прийнято називати міждисциплінарну область фундаментальної і прикладної науки та техніки, в якій вивчають сукупні теоретичне обґрунту-

вання, методів дослідження, синтезу та методів виробництва, а також виробни-

цтва та застосування продуктів із заданою атомарною структурою шляхом кон-

трольованого маніпулювання окремими атомами і молекулами.

Приставка «нано» у термінах співвідношення між одиницями довжин означає зміну масштабу у 109 (мільярд) разів: 1 нм (1 нанометр) = 10–9 м, що становить одну мільйонну частку міліметра. У таблиці 2 як приклад наведені розміри декотрих природних і штучних об'єктів у діапазоні розмірів від 10 м до

1 Å (1 Å = 10–10 м, тобто 1 ангстрем у 10 разів менший від нанометра і відпові-

дає діаметру найменшого з атомів — атома Гідроґену).

Таблиця 2 — Місце нанооб'єктів в оточуючому людину світі

Згідно з наведеними у таблиці 2 даними в основу градації покладено принцип зарахування до наносвіту об'єкти, характерний розмір яких змінюється в межах від 1 до 100 нм. Загалом такі розмірні обмеження є доволі умовними.

Головна особливість нанооб'єктів полягає у тому, що унаслідок їх малих розмі-

рів вони володіють особливі властивості. Існують численні випадки, коли ці особливі властивості можуть проявлятися й за розмірів нанооб'єктів перевищу-

ють умовно встановлену межу в 100 нм.

Основні терміни наносвіту різні дослідники подають у різноманітних трактуваннях, що викликає їх неоднозначне сприйняття. Така неоднозначність пов'язана з наявністю двох підходів до їх розгляду. Згідно з першим підходом об'єкти наносвіту розглядають з врахуванням лишень їх нанорозмірних параме-

трів, для яких встановлюють умовні межі можливих змін. Відповідно до друго-

го підходу об'єкти наносвіту характеризуються особливими властивостями, які проявляються у силу властивих їм нанорозмірів.

Тому існує підхід, за якого приставку «нано» слід сприймати скоріше як узагальнене відтворення об'єктів досліджень, прогнозованих явищ, ефектів та способів їх моделювання, аніж просто характеристика величини базового стру-

ктурного елемента.

До наноматеріалів належать такі матеріали, що характеризуються нано-

метровим масштабом хоча б в одному з трьох вимірів. До того ж нанометровий масштаб може відноситися як до зразка матеріалу загалом, так і до окремих йо-

го елементів. Відповідно, у першому випадку нанооб'єктами є безпосередньо зразки матеріалів, у другому — їх структурні елементи. Наноматеріали, так са-

мо як і звичайні матеріали, можуть перебувати у різних агрегатних станах. На практиці найбільше розповсюдження знайшли твердо тільні наноматеріали.

Найхарактернішими особливостями наноматеріалів є такі:

поява нетрадиційних видів симетрії структури і особливих видів спря-

ження меж розділу фаз;

провідна роль процесів самоорганізації в утворенні структури, яка пере-

важає над процесами штучного упорядкування;

14

висока польова активність і каталітична вибірковість поверхні наночас-

тинок та їх ансамблів;

особливий характер перебігу процесів передачі енергії, заряду та конфір-

маційних змін, які вирізняються низьким споживанням енергії, високою швидкістю і наявністю енергетичних ознак.

До основних причинх прояву цих особливостей наноматеріалів та нано-

систем належать:

висока питома поверхня і пов'язана з нею висока енергетична активність наночастинок;

велика роль розмірних ефектів, яка властива як в індивідуальним наноча-

стинками, так і їх ансамблям — унаслідок значної площі меж розділу.

Усе це позначається на механізмах упорядкування наночастинок, власти-

востях наночастинок та їх ансамблів, у закономірностях перебігу різноманітних процесів.

З поняттям «наноматеріали» тісно пов'язане поняття «наносистеми».

У загальному випадку під системами розуміють певним чином упорядко-

вані елементи, які можуть бути матеріальними об'єкти, так і нематеріальні, тоб-

то абстрактні (наприклад, Періодична система хімічних лементів являє собою сукупність символів хімічних елементів, які розташовані у певному порядку,

переважно, згідно з їх атомними номерами. Своєю чергою, системи, утворені матеріальними об'єктами, можуть поділятися на різні види залежно від ознак,

що їх характеризують. Зокрема, предметом вивчення у фізиці, хімії та біології є системи, що являють собою сукупність матеріальних об'єктів, які характеризу-

ються фізичними, хімічними та біологічними властивостями, а також взаємоз-

в'язками відповідно фізичної, хімічної або біологічної природи. Наприклад, у

фізиці це — квантово-механічні системи, тобто нуклідо-електронні системи,

дискретні значення енергії яких визначаються набором квантових чисел, у хімії

— системи хімічних реагентів, у біології — біокомпоненти, які утворюють ор-

гани рослин та тварин і які беруть участь у їх життєдіяльності.

15

У практичній діяльності особливо важливу роль відіграють функціональ-

ні системи, тобто такі системи матеріальних об'єктів, які використовують і які придатні до використання для розв'язання практичних задач, і, відповідно, во-

лодіють функціональними властивостями, які визначають сферу їх практичного застосування. Функціональні системи виготовляють на основі різних матеріа-

лів. Які поділяють на сирі (матеріали, які раніше не були оброблені жодним способом переробки) і напівфабрикати (матеріали, що попередньо були частко-

во оброблені). Так само як зразки матеріалів, функціональні системи володіють конструктивними ознаками, проте вирізняються більш високою конструктив-

ною складністю. Зазвичай вони являють собою пристрої. Конструкція яких ви-

значається конфігурацією, розмірами, просторовим розташуванням і взаємоз-

в'язками їх структурних компонентів.

Функціональні наносистеми подібно до наноматеріалів характеризуються нанометровим масштабом розмірів хоча б у одному з трьох вимірів. Властивос-

ті функціональних систем, так само як властивості наноматеріалів, можуть про-

являтися у дуже незвичний спосіб унаслідок притаманного їм нанометрового масштабу розмірів. На практиці найбільше розповсюдження знайшли твердо тільні функціональні системи.

Розвиток наноматеріалів проходить у тісному взаємозв'язку з розвитком нанотехнологій, які являють собою сукупність методів і засобів, які дозволяють контрольованим способом створювати нові матеріали, а також керувати їх структурою та властивостями з метою застосування за наперед заданим приз-

наченням. Отже нанотехнології у загальному випадку забезпечують розв'язання таких трьох взаємопов'язаних задач:

отримання наноматеріалів із заданою структурою та властивостями;

застосування наноматеріалів за певним призначенням з врахуванням їх структури та властивостей;

контроль (дослідження) структури і властивостей наноматеріалів як під час їх розроблення (виробництва), так і застосування.

16

Науковим підґрунтям для розвитку наноматеріалів і технологій є нанона-

ука — систематизоване знання закономірностей та механізмів поведінки речо-

вини у нанометровому масштабі розмірів. На сьогоднішній день термін «нано-

наука» не має достатньо точного визначення. Це обумовлено тим, що процес становлення нанонаука відбувався поступово і до теперішнього часу є незавер-

шеним. Нанонаука ґрунтується на фізиці, хімії та біології, перед усім на розді-

лах цих наукових дисциплін, у яких вивчають об'єкти, що складаються з цілком певної кількості атомів або молекул. В таких об'єктах у значній мірі проявля-

ються сильна залежність властивостей від розмірів, дискретність атомно-

кристалічної структури речовини, квантові закономірності його поведінки.

Оскільки на практиці найбільше розповсюдження знаходять твердо тільні наноматеріали, то, відповідно, найважливішим науковим базисом для їх розви-

тку є теорія твердого тіла.

У світі на сьогоднішній день лише розробляють стандарти, які б однозна-

чно трактували терміни нанотехнології та нанопродукції. Серед підходів до ви-

значення поняття «нанотехнології» як приклад можна навести такі:

1. У Технічному комітеті ISO/ТК 229 нанотехнології визначили як:

знання та управління процесами, переважно в масштабі 1 нм, але не ста-

новлять виняток масштаби менші за 100 нм, в одному або більше вимірах, коли введення в дію розмірного ефекту (явища) призводить до можливості нових за-

стосувань;

використання властивостей об'єктів і матеріалів у нанометровому масш-

табі, які відрізняються від властивостей вільних атомів або молекул, а також від об'ємних властивостей речовини, що складається з цих атомів або молекул з метою створення досконаліших матеріалів, приладів, систем, що реалізують ці властивості.

2. Згідно з «Концепцією розвитку в Російській Федерації робіт в області нанотехнологій на період до 2010 року» (редакція 2004 р.) нанотехнологію ви-

значили як сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість конт-

рольовано створювати й модифікувати об'єкти, які складаються з компонентів з

17

розмірами меншими за 100 нм, хоча б в одному вимірі, і в результаті чого ви-

никає можливість отримати принципово нові якості для інтеграції в повноцінно функціональні системи більшого масштабу.

18

Лекція 3

Загальні положення та поняття. Основи класифікації наноматеріалів. Структура нанопродукції.

Основи класифікації наноматеріалів.

Існує декілька підходів щодо визначення наноматеріалів (рис. 1).

Найпростіший підхід у класифікації пов'язаний з геометричними розмі-

рами структури наноматеріалів. За такого підходу матеріали з характерним ро-

зміром структури від 1 до 100 нм називають наноструктурними (або інакше на-

нофазними, нанокристалічними, супрамолекулярними).

Вибір такого діапазону розмірів не випадковий, а визначається існуван-

ням певних розмірних ефектів і співпадінням розмірів кристалітів з характер-

ними розмірами для перебігу різних фізичних явищ. Нижня межа діапазону обумовлена критичним розміром існування нанокристалічного матеріалу, як структурного елемента, який має упорядковану будову, тобто кристалічну ґрат-

ку. Це пов'язане з тим, що у разі зменшення розміру кристалу, який має власти-

вий для нього строгий набір елементів симетрії, настає такий момент, коли буде відбуватися втрата декотрих елементів симетрії. Зокрема для найбільш широко розповсюджених кристалів з ОЦК та ГЦК ґраткою такий критичний розмір до-

рівнює трьом координаційним сферам, що у випадку заліза становить приблиз-

но 0,5 нм, а для нікелю — в околі 0,6 нм. Величина верхньої межі обумовлена тим, що помітні і важливі з технічної точки зору характерні для наностану змі-

ни фізико-механічних властивостей матеріалів (показники міцності, твердість,

коерцитивна сила тощо) починають виявляти у разі зменшення розмірів крис-

талітів саме нижче за 100 нм.

Інший підхід пов'язаний з впливом численних поверхонь розділу в нано-

матеріалах на формування їх властивостей. Згідно з теоретичними обчислення-

ми розмір кристалітів (D) в наноматеріалах змінюється в діапазоні декількох нанометрів, тобто в інтервалі, величина якого залежить від об'ємної частки по-

верхонь розділу V в загальному об'ємі матеріалу, яка може складати приблиз-

но 50 % і більше. Цю частку орієнтовно оцінюють за формулою

19