nano_1_97_4_lec

одного й того самого матеріалу (наприклад, окремі частинки нанопорошку і зе-

рна в полікристалі (табл. 1).

Вважають також, що якщо унаслідок зменшення об'єму речовини по од-

ній, двох або трьох координатах до розмірів нанометрового масштабу виникає нова якість речовини, або така якість виникає в композиції з таких об'єктів, то ці утворення слід віднести до наноматеріалів, а технології їх отримання і пода-

льшу роботу з ними — до нанотехнологій.

Таблиця 3 — Розрахункові розміри частинок, які не містять дислокаційних петель, нм

Слід зауважити, що поряд з терміном наноматеріали, який у теперішній час набуває все ширшого застосування, отримали розповсюдження також рів-

ноцінні терміни «ультрадисперсні матеріали», «ультрадисперсні системи і

«наноструктурні матеріали».

Згідно з наведеною термінологією наноматеріали поділяють на чотири основні категорії (рис. 2).

Перша категорія об'єднує матеріали у формі твердих тіл, розміри яких в одному, двох або трьох просторових координатах не перевищують 100 нм. До таких матеріалів належать, наприклад, нанорозмірні частинки (нанопорошки),

нанодроти та нановолокна, дуже тонкі плівки (завтовшки менше ніж 100 нм),

нанотрубки тощо. Такі матеріали можуть містити від одного структурного еле-

мента або кристаліта (для частинок порошку) до декількох їх шарів (для плів-

ки). Згідно з таким підходом першу категорію можна класифікувати як нанома-

теріали з малою кількістю структурних елементі або наноматеріали в виді нановиробів.

Друга категорія об'єднує матеріали у формі малорозмірних виробів з ти-

повими розмірами діапазоні від 1 мкм до 1 мм. Зазвичай це напівфабрикати —

21

дроти, стрічки, фольги. Такі матеріали містять вже значну кількість структур-

них елементів і їх можна означити як наноматеріали з великою кількістю струк-

турних елементів (кристалітів) або наноматеріали в виді мікровиробів.

Третя категорія являє собою масивні (або інший термін — об'ємні) ма-

теріали з розмірами виробів, які відповідають макродіапазону (більше декіль-

кох міліметрів) і містять значну кількість матеріалів нанорозмірного масштабу.

Оскільки такі матеріали складаються з дуже великої кількості нанорозмірних елементів (кристалітів), то фактично вони є полікристалами з розмірам зерен

1…100 нм. Своєю чергою третю категорію наноматеріалів поділяють на два класи.

Перший клас складають однофазні матеріали (мікроструктурно однорідні матеріали), структура та/або хімічний склад яких змінюються в об'ємі матеріалу на атомному рівні. Їх структура, як правило, перебуває у далекому від рівнова-

жного стані. До таких матеріалів відносять, наприклад, скла, гелі, пересичені тверді розчини. До другого класу зараховують мікроструктурно неоднорідні матеріали, які складаються з нанорозмірних елементів (кристалітів, блоків) з рі-

зною структурою та/або складом. Це багатофазні матеріали, наприклад, склад-

но леговані металеві сплави.

Друга і третя категорії наноматеріалів підпадають під більш вузьку кла-

сифікацію нанокристалічних або нанофазних матеріалів.

До четвертої категорії належать композиційні матеріали, які містять у своєму складі компоненти з наноматеріалів. Як компоненти можуть відігравати роль наноматеріали першої категорії (композити з наночастинками та/або нано-

волокнами, вироби зі зміненим іонною імплантацією поверхневим шаром або тонкою плівкою). Також компонентами цієї категорії можуть слугувати матері-

али другої категорії (наприклад, композити зміцнені волокнами та/або частинки с наноструктурою, матеріали з модифікованим наноструктурним поверхневим шаром або покриттям). В окрему групу виокремлюють також композиційні ма-

теріали з складною технологією введення до їх складу нанокомпонентів.

22

НАНОМАТЕРІАЛИ

Рисунок 2. — Класифікація наноматеріалів

Класифікація нанопродукції, що враховує їх ієрархічну складність наве-

дена на рис. 3.

Структура нанопродукції

23

Гібридні системи

електроніка

Нано-/мікроелектроніка

Наноматеріали і наноб'єкти

Інтелектуальні НМ

Н А Н О Т Е Х Н І К А

Рисунок 3. — Структура нанотехніки з огляду на її ієрархічну складність

24

Найпоширеніший клас — наноматеріали і окремі нанооб'єкти, наступний

— нановироби, які складаються з багатьох елементів і вимагають спеціальної обробки матеріалів. Частонанотехнології дозволяють створювати готові виро-

би, що містять мільйони елементів, минуючи стадію виробництва матеріалів,

окремих деталей, їх подальшої обробки і складання (пунктирна стрілка). Широ-

ке розповсюдження такі технології набули у мікроелектроніці.

Більш складними за будовою і у виробництві є гібридні системи, у яких поєднуються, наприклад, мікро- і нанотехнологічні вузли; електронні пристрої

(мікро-/наноелектромеханічні системи — МЕМС/НЕМС); мікрогідродинаміка,

мікромеханіка і електроніка (мікрохімічні лабораторії на одному чипі); оптика,

мікромеханіка і електроніка; біоелектроніка і біомеханіка тощо. Проте і у тако-

му разі розробляють нанотехнології, які дозволяють отримувати вироби без проміжних переходів (показано пунктирною стрілкою). Нарешті на вершині структурної піраміди розташовані інтелектуальні роботи, багатокомпонентні системи, що мають у своєму складі сенсорні вузли, процесорну частину, вико-

навчі органи, двигуни тощо.

З техніко-еконмічної точки зору основні причини стрімкого розвитку на-

нотехнологій полягають у тому, що за їх допомогою можливо:

суттєво змінювати властивості традиційних матеріалів, не змінюючи їх хімічного складу;

створювати принципово нові класи матеріалів;

зменшувати розміри виробів аж до атомарних зі збереженням функціона-

льного призначення і надання зовсім нових (наприклад, спінтроніки);

ефективно використовувати синтетичні або існуючі у природі нанострук-

тури (переважно, біологічні);

розв'язувати задачі, зовсім неможливі у рамках традиційних технологій;

знижувати матеріалоємність, енергоємність, трудоємність і вартість про-

дукції.

25

Практичний аспект нанотехнологій поєднує в собі виробництво пристроїв і їх компонентів, необхідних для створення, обробки і маніпуляції атомами, мо-

лекулами і наночастинками. Йдеться про те, що не обов'язково об'єкт повинен мати хоч одним лінійним розміром менше 100 нм — це можуть бути макрооб'є-

кти, атомарна структура яких контрольовано створюється з роздільністю на рі-

вні окремих атомів, або ж містять в собі нанооб'єкти. У ширшому сенсі цей те-

рмін охоплює також методи діагностики і досліджень таких об'єктів.

Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки за та-

ких масштабів звичні, макроскопічні технології оперування з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабкі за звичних масштабів,

стають набагато вагоміші стосовно властивостей та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул (наприклад, вплив сили Ван-дер-Ваальса), кван-

тових ефектів.

Нанотехнології і особливо молекулярна технологія — нові, дуже мало до-

сліджені дисципліни. Основні відкриття, які прогнозуються в цій області, поки що не зроблені. Тим не менше, проведені дослідження вже дають практичні ре-

зультати. Використання в нанотехнології передових наукових досягнень дозво-

ляє відносити цю галузь до високих технологій. Розвиток сучасної електроніки йде шляхом зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи ви-

робництва доходять до свого природного економічного та технологічного ба-

р'єру, коли розмір пристрою зменшується ненабагато, а економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології — наступний логічний крок розви-

тку електроніки та інших наукоємних виробництв.

Найбільш повноцінно на сьогоднішній день нанотермінологію відтворю-

ють такі словосполучення:

нанотехнологія — сукупність методів і прийомів, які уможливлюють контрольованим способом створення і модифікування об'єктів, що містять ком-

поненти з розмірами меншими за 100 нм, мають принципово нові якості і до-

26

зволяють проводити їх інтеграцію в повноцінно функціональні системи велико-

го масштабу;

наноматеріали — матеріали, які містять структурні елементи, геометри-

чні розміри яких хоча б в одному вимірюванні не перевищують 100 нм, і які во-

лодіють якісно новими властивостями, функціональними і експлуатаційними характеристиками;

наносистемна техніка — повністю або частково створені на основі на-

номатеріалів і нанотехнологій функціонально завершені системи і пристрої, ха-

рактеристики яких кардинально відрізняються від показників систем і пристро-

їв аналогічного призначення, створені за традиційними технологіями;

наноіндустрія — вид виробничої діятельності з створення продукції на основі нанотехнологій, наноматеріалів і наносистемної техніки.

27

Лекція 4

Загальні положення та поняття. Основні типи структур наноматеріалів. Фізичні причини специфіки властивостей наноматеріалів.

Основні типи структур наноматеріалів.

Властивості наноматеріалів у значній мірі залежать від характеру розпо-

ділу, форми і хімічного складу кристалітів (нанорозмірних елементів), з яких вони побудовані. У зв'язку з цим доцільною є класифікація структури нанома-

теріалів за цими ознаками (рис. 4). За формою кристалітів наноматеріали поді-

ляють на шаруваті (пластинчасті), волокнисті (стовбчасті) та рівноосні. Важли-

во, щоб товщина шару, діаметр волокна і розмір зерна є порядку 100 нм і менше. На підставі особливостей хімічного складу кристалітів та їх границь за-

звичай розрізняють чотири групи наноматеріалів.

До першої групи відносять такі матеріали, у яких хімічний склад криста-

літів і границь розділу однакові. Їх називають також однофазними. Приклади таких матеріалів — чисті метали с нанокристалічною рівноосною структурою та шаруваті полікристалічні полімери.

Другу групу складають матеріали, у яких склад кристалітів різний, але границі ідентичні за своїм хімічним складом.

Третя група об'єднує наноматеріали, у яких і кристаліти, і границі мають різний хімічний склад.

До четвертої групи входять наноматеріали, у яких нанорозмірні компо-

ненти (частинки, волокна, нари) розподілені у матриці, яка має інший хімічний склад. До цієї групи відносять зокрема дисперсійно-зміцнювані матеріали.

28

29

Фізичні причини специфіки властивостей наноматеріалів

Основні напрямки розвитку нанонауки і техніки показані на рис. 5.

Н А Н О Н А У К А Т А Н А Н О Т Е Х Н І К А

Рисунок 5. — Фундаментальні основи застосування нанонауки і нанотехнологій

30