nano_1_97_4_lec

Фундаментальним базисом нанонауки є фізика, хімія та біологія. Велику роль відіграє комп'ютерне моделювання наноструктур на основі квантово-

механічних закономірностей поведінки об'єктів, які складаються з певної кіль-

кості атомів або молекул.

Властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей крупніших об'єктів, що складаються з тих же самих атомів і молекул. Напри-

клад, наночастки платини набагато ефективніше очищують автомобільні вики-

ди від токсичних забруднень, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові і багатошарові графітові циліндри нанометрової товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому можуть стати заміною мід-

ним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності і принципово нові напівпровідникові і оптоелектронні при-

строї. На сучасному етапі нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовують в автомобіле– і

авіабудуванні), під час виробництва чорнил; для виробництва одягу, який не-

можливо забруднити і пом'яти тощо.

Найбільш значні зміни властивостей наноматеріалів і наночастинок на-

стають у діапазоні розмірів кристалітів порядку 10..100 нм. Основні фізичні причини цього пов'язані з великими питомими частками поверхневих атомів та границь розділу (рис. 6).

Для наночастинок відносна частка атомів, які перебувають у тонкому по-

верхневому шарі (його товщину приймають зазвичай порядку 1 нм), порівняно з мезо- і мікрочастинками є помітно більша. Дійсно, питома частка приповерх-

невих атомів пропорційна до відношення площі поверхні частинки S до її об'є-

му V. Якщо позначити характерний розмір частинки (кристаліта ) D, то:

Тобто, що менший розмір кристаліта, то більша питома поверхня.

31

редусім вакансій і дислокацій). За малих розмірів частинок цей ефект помітно посилюється, що може викликати вихід більшості структурних дефектів на по-

верхню і призводити до очищення матеріалу наночастинки від дефектів струк-

тури і хімічних домішок. На теперішній день встановлено, що процеси дефор-

мування і руйнування в тонкому приповерхневому шарі проходять з випередженням відносно внутрішніх об'ємів матеріалу, що є однією з причин утворення ряду фізичних ефектів, у тому числі фізичної границі текучості та фізичної границі втоми.

Для наночастинок весь матеріал буде працювати як приповерхневий шар,

товщина якого оцінюється величиною порядку 0,5…20 мкм. Слід звертати ува-

гу на тонкі фізичні ефекти, які проявляються у специфічному характері взаємо-

дії електронів з вільною поверхнею.

Ще однією причиною специфіки властивостей наноматеріалів є збіль-

шення об'ємної частки границь розділу зі зменшенням середнього розміру зе-

рен або кристалітів у наноматеріалах. Окремо аналізують зміну об'ємної частки таких структурних складових: границь розділу, границь зерен і потрійних сти-

ків.

Об'ємну частку границь розділу оцінюють за формулою:

На рис. 7 наведені обчислені за цими формулами залежності вказаних

об'ємних часток. Видно, що за зменшення діаметра зерна від 1 мкм до 2 нм об'ємна частка міжзеренної компоненти (границь розділу) зростає від 0,3 до

87,5 %. Об'ємні частки міжзеренної та внутрішньозеренної компонент досяга-

ють однакового значення (по 50 %) за розміру зерна порядку 5 нм.. Після зме-

33

ншення розміру зерна менше 10 нм починає сильно зростати частка потрійних

стиків. З цим пов'язують аномальне падіння твердості за таких розмірів зерна.

1 – межі розділу; 2 – границі зерен; 3 – потрійні стики

Рисунок — Залежність об'ємних часток структурних параметрів від розміру нанокристалітів

Комплексні експериментальні дослідження показали, що границі зерен

мають нерівноважну структуру, утворення якої обумовлено високою густиною

зернограничних дефектів (рис. 8). Ця нерівноважність призводить до створення

надлишкової енергії границь зерен і наявністю далеко діючих пружних напру-

жень; границі зерен мають кристалографічно упорядковану будову, а джерела-

ми пружних полів є зернограничні дислокації та їх комплекси. Нерівноважність

границь зерен викликає появу високих напружень і спотворень кристалічної

ґратки, зміну міжатомних віддалей і викликає зміщення атомів, аж до втрати

дальнього порядку. Як наслідком цього є значне підвищення мікротвердості.

а б Рисунок 8. — Будова наноструктурного матеріалу: а – атомна модель (чорним

позначені атоми зернограничних ділянок, на яких зміщення перевищує 10 % від міжатомних віддалей); б – границі зерен у наноструктурній міді, виявлені за

34

допомогою просвічувальної електронної мікроскопії (стрілками позначені привнесені зернограничні дислокації)

Важливим фактором, який впливає на будову наноматеріалів є також схильність до появи кластерів. Прискорена міграція атомів (груп атомів) вдовж поверхні і по границях розділу та наявність сил притягання між ними, які у на-

номатеріалів більші порівняно с традиційними матеріалами (об'ємними) (див.

рис. 7), часто призводять до активізації самоорганізації острівкових, стовбчас-

тих та інших кластерних структур на підкладці. Цей ефект вже використову-

ють для створення упорядкованих наноструктур в оптиці і електроніці.

Ще одну причину специфіки властивостей наноматеріалів пов'язують з тим, що у процесах перенесення (дифузія, пластична деформація тощо) існує

декотра ефективна довжина вільного перебігу носіїв цього перенесення Le. За характерних розмірів області протікання процесів перенесення набагато біль-

ших за Le розсіювання носіїв проявляється незначно, але за розмірах, менших за

Le, перенесення починає дуже сильно залежати від розмірів і форми області уможливлення процесу. У випадку наноматеріалів у ролі Le можуть виступати,

наприклад, шлях дифузії та довжина вільного перебігу дислокацій.

Для матеріалів з розмірами кристалітів у нижньому нанодіапазоні

D < 10 нм можливий прояв квантових розмірних ефектів. Такий розмір криста-

літів стає співрозмірним з довжиною хвилі де Бройля для електрона:

де me — ефективна маса електрона;

E — енергія Фермі.

Для металів B 0,1…1 нм, а для ряду напівпровідників, напівметалів і тугоплавких сполук перехідних металів B 10…100 нм. Для будь-якої частин-

ки з малою енергією (швидкість v значно менша за швидкість світла c) довжину

де m і v — відповідно маса і швидкість частинки, h — стала Планка.

35

Квантові ефекти будуть виявлятися зокрема осцилюючою зміною елект-

ричних властивостей, наприклад електричної провідності.

Лекція 5

Основні сфери використання наноматеріалів. Конструкційні матеріали. Вироб-

ничі технології. Триботехніка. Захист матеріалів і виробів. Інструментальні ма-

теріали.

Сфери використання наноматеріалів.

Відповідно до потреб суспільства нанотехнології зазвичай поділяють за трьома напрямками:

виготовлення електронних схем;

створення наномашин, тобто механізмів та роботів завбільшки з молеку-

лу;

безпосередня маніпуляція атомами та молекулами та складання за їх до-

помогою будь-якого виробу.

Сучасними застосуваннями нанотехнологій є:

створення високоміцних нанокристалічних та аморфних матеріалів, него-

рючих нанокомпозитів на полімерній основі;

елементи наноелектроніки та нанофотоніки; напівпровідникові транзис-

тори та лазери, фотодетектори, сонячні панелі, сенсори, тонкоплівочні і гетероструктурні компоненти мікроелектроніки та оптотроніки нового покоління, магнітом'які та магнітверді матеріали;

засоби надщільного запису інформації, телекомукації, передачі інформа-

ційні та суперкомп'ютери;

плоскі екрани, відеопроектори та монітори;

молекулярні електронні пристрої, у тому числі перемикачі та електронні схеми на молекулярному рівні;

нанолітографія і наноімпринтинг;

36

пристрої мікрота наномеханіки, у тому числі актюатори і трансдуктори,

молекулярні двигуни та нанодвигуни, нанороботи, інтегровані мікроелек-

тромеханічні системи;

нанохімія і каталіз, у тому числі керування горінням, нанесення покрит-

тів; електрохімія, нанопористі матеріали для хімічної та нафтохімічної промисловості, паливні елементи, електричні акумулятори та інші перет-

ворювачі енергії, пристрої для зберігання енергії;

фармацевтика, цільове транспортування ліків та протеїнів до органів лю-

дини, біополімери, медична діагностика, імплантація живих органів,

створення штучних мускулів та кісток, виявлення канцерогенних тканин,

ідентифікація біосумісності тканин для трансплантації; виробництво лі-

карських препаратів;

реєстрація та ідентифікація канцерогенних тканин, патогенів і біологічно шкідливих агентів;

створення засобів безпеки у сільському господарстві та під час виробниц-

тва харчових продуктів.

Нанотехнології першочергово почали використовувати для мініатюриза-

ції мікропроцесорів. Якщо у 1965 році на одній мікросхемі розташпвували 40

транзисторів, у 1971 році — вже 2000, то у наш час — до 300 млн. транзисторів завбільшки 65–180 нанометрів.

Класичні методи виробництва підходять до свого природного економіч-

ного та технологічного бар'єрів, коли розмір пристрою зменшується не набага-

то, але економічні витрати зростають експоненціально.

Наочним прикладом можуть ослугувати декотрі області застосування (або інакше «комерціалізації») наноматеріалів за друкованими матеріалами останніх років. Природно такий огляд не буде вичерпним через те, що сфери застосуван-

ня змінюються надто стрімкими темпами. Проте навіть з короткого і далеко не повного переліку можна отримати загальне уявлення щодо сучасного стану і перспективах використання наноматеріалів (рис. 9).

37

Нанотехнології розташовані на передньому краї різноманітних наукових,

економічних та соціальних напрямків розвитку суспільства. Нанооб'єкти зазви-

чай складають у строго певній кількості атомів, а тому в них вже у значній мірі виявляється дискретна атомно-молекулярна структура речовини і квантові за-

кономірності її поведінки. Такі системи не тільки сприяють мініатюризації ви-

робів, але й зниженню енергота матеріаловитратності.

Основні сфери застосування наноматеріалів та нанотехнологій

Рис. 9. — Перелік основних сфер застосування наноматеріалів та нанотехнологій

Конструкційні матеріали.

Наноструктурні об'ємні матеріали вирізняють більші міцність за статич-

ного і втомного навантаження, а також твердість порівняно з матеріалами зі звичайною величиною зерна. Тому основний напрямок їх використання у тепе-

рішній час як високоміцних та зносостійких матеріалів для виготовлення нано-

розмірних деталей машин (рис. 10, 11). Підставою для цього є властивості на-

номатеріалів конструкційного призначення. Зокрема границя текучості цього

38

класу матеріалів зростає порівняно зі звичайним станом у 2,5–3,0 рази, а плас-

тичність — або зменшується дуже незначно, або ж як для Ni3Al зростає у 4 ра-

зи. Армовані вуглецевими нановолокнами і фулеренами композити розгляда-

ють як перспективні матеріали для роботи в умовах ударних динамічних впливів.

Рисунок 10. — Макети нанопідшипників

Рисунок 11. — Макет наноредуктора

Якість багатьох традиційних матеріалів може бути підвищена за рахунок використання наночастинок та атомарної обробки. Нанотехнології дозволять створювати легкші, тонкіші і міцніші композиційні (змішані, складної будови)

матеріали. З'являться так звані ―розумні‖ матеріали, які здатні змінювати свою структуру залежно від властивостей оточуючого середовища. Також будуть створені матеріали надміцні, надлегкі і негорючі (на основі алмазоїду), які бу-

дуть використовувати в аерокосмічній та автомобільній промисловості.

Виробничі технології.

39

Важливим і перспективним напрямком використання наноматеріалів є як компонентів композитів самого різного призначення. Додавання нанопорошків

(підшихтування) до звичайних порошків у виробництві сталей і сплавів мето-

дами порошкової металургії дозволяє зменшувати пористість виробів, підвищу-

вати конструкційну міцність матеріалів. Проява ефекту надпластичності в на-

ноструктурних сплавах алюмінію і титану робить перспективним їх використання для виготовлення деталей складної форми, а також як з'єднуваль-

них шарів під час зварювання різних матеріалів у твердому стані. Дуже велика питома поверхня нанопорошків (порядку 5·107 м–1) робить каталізаторами їх у хімічних виробництвах.

За прогнозами вже у 2025 році з'являться перші асемблери, створені на основі нанотехнологій. Теоретично можливо, що вони будуть здатні конструю-

вати з атомів будь-який предмет. Достатньо буде спроектувати за допомогою комп'ютера виріб — і він буде створений та розмножений складальним компле-

ксом нанороботів. Головне призначення асемблера — з'єднання атомів і моле-

кул у заданому порядку. Він вміти будувати наносистеми будь-якого призна-

чення — двигуни, верстати, обчислювальні пристрої, засоби зв'язку тощо. Отже він має бути універсальним молекулярним роботом зі змінними програмами.

Зовнішній вигляд складальника можна уявити як ―комірку‖ нанометрово-

го розміру з ―рукою‖ — маніпулятором завдовжки у сотню атомів. Вихідним матеріалом для маніпулятора можуть слугувати атоми, молекули і хімічно ак-

тивні молекулярні конструкції. Всередині складальника розміщені пристрої, які керують роботою маніпулятора і містять програму всіх його дій. Оскільки складання великих молекул зі складною структурою вимагає особливої точнос-

ті позиціонування, асемблер повинен мати декілька таких маніпуляторів.

Цілком можливо, асемблер буде чимось подібним на павука. Одними

―лапами‖ він буде триматися за поверхню, а другими складати складні молеку-

лярні структури атом по атому. Найбільш популярна схема наноасемблера на-

ведена на рис. 12.

40