1.Вступ. Характеристика предмета, методологія

Початок XXI століття ознаменувався революційним початком розвитку нанотехнологій і наноматеріалів. Наноматеріали вже використовуються у всіх країнах світу, в найбільш важливих областях людської діяльності (промисловості, обороні, інформаційній сфері, радіоелектроніці, енергетиці, транспорті, біотехнології, медицині).

Аналіз зростання інвестицій, кількості публікацій з даної тематики, темпів впровадження фундаментальних і пошукових розробок, дозволяє зробити висновок про те, що в найближчих 20 років використання нанотехнологій і наноматеріалів буде одним з визначальних чинників наукового, промислового, економічного і оборонного розвитку держав. Деякі експерти навіть передбачають, що XXI століття буде століттям нанотехнологій (по аналогії з тим як XIX століття називали століттям пари, а XX століття - століттям атома і комп'ютера).

Такі перспективи вимагають оперативного впровадження в освітні програми дисциплін, необхідних для підготовки фахівців, здатних ефективно і на сучасному рівні вирішувати фундаментальні і прикладні завдання в області наноматеріалів і нанотехнологій.

Даний курс ставить перед собою мету сформувати та закріпити міцні теоретичні знання студентів про структуру і властивості наноматеріалів, технології їх отримання, обробку та методи дослідження.

1. Наноматеріали та нанотехнології

Розробку нових матеріалів та технології їх отримання відносять до «ключових» аспектів основи економічної потужності і наукового потенціалу держави. Одним з пріоритетних напрямків розвитку сучасного матеріалознавства є наноматеріали і нанотехнології.

До наноматеріалів відносять дисперсні і масивні матеріали, що містять структурні елементи (зерна, кристаліти, блоки, кластери), геометричні розміри яких хоча б в одному вимірі не перевищують 100 нм, і які володіють якісно новими властивостями, функціональними і експлуатаційними характеристиками.

До нанотехнологій можна віднести технології, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати наноматеріали, а також здійснювати їх інтеграцію в повноцінно функціонуючі системи більшого масштабу.

Основні складові науки про наноматеріали:

• фундаментальні дослідження властивостей матеріалів на наномасштабному рівні;

• розвиток нанотехнологій як для цілеспрямованого створення наноматеріалів та пошуку і використання природних об'єктів з наноструктурними елементами;

• створення готових виробів з використанням наноматеріалів та інтеграція наноматеріалів і нанотехнологій в різні галузі промисловості і науки;

• розвиток засобів і методів дослідження структури і властивостей наноматеріалів

• розвиток методів контролю виробів і напівфабрикатів для нанотехнологій.

3 Види штучних наноструктур.

Найпростішимнаноматериалом можуть бути фрагменти речовини, подрібнені донаноразмерного стану або отримані на якусь іншу фізичним чи хімічним способом. Хоча б у одному вимірі вони повинні мати протяжність трохи більше 100 нм й проявляти якісно "нові властивості (фізико-хімічні, функціональні, експлуатаційні та інших.)

Реально діапазон аналізованих об'єктів значно ширшим - від окремих атомів (розміром менш 0,1 нм) до органічних молекул, містять понад 10⁹ атомів і має розміри навіть більше 1мкм щодо одного чи двох вимірах. Принципово важливо, що мені вже у значною мірою проявляється дискретнаатомно-молекулярная структура речовини і квантові ефекти.

>Наноструктури мають поєднанням низки параметрів і фізичних явищ, невластивих традиційним станам матеріалів. Зменшення розміру кристалів може спричинить суттєвого зміни властивостей матеріалів. Встановлено, що зміни виявляються, коли середня площа кристалічних зерен вбирається у 100 нм, а найефективніші при розмірі зерен менш 10 нм. У цьому частки може мати сферичну (>равноразмерную) форму, бути витягнутими якнанопроволоки чинановолокна чи являти собоюнаночешуйки (платівки). Головне, щоб одна з вимірів не перевищувало 100 нм.

У 1985 року Р.Керл, Р.Крото і Р. Смолі геть несподівано відкрили принципово нове вуглецеве з'єднання -фулерен (>многоатомние молекули вуглецю З_n), унікальні властивості якого викликали цілий шквал досліджень.Фуллерен маєкаркасную структуру, дуже нагадує футбол, що з "латок" п'яти- і шестикутній форми. Якщо уявити, що у вершинах цього багатогранника перебувають атоми вуглецю, ми одержимо самий стабільний фулерен З₆₀ (молекула З₆₀ містить фрагменти з п'ятикратної симетрією, невластивою неорганічним сполукам у природі, тому визнано, що молекула фулерену є органічної молекулою).

У молекулі З₆₀, що є найвідомішим, і навіть найбільш симетричним представником сімейства фулеренів, число шестикутників одно 20. У цьому кожен п'ятикутник межує тільки з шестикутниками, а кожен шестикутник має три загальні боку з шестикутниками і трьох - з п'ятикутниками. Кожен атом вуглецю в молекулі З₆₀ перебуває у вершинах двох шестикутників і самого п'ятикутника і невідрізнимо з інших атомів вуглецю. Атоми вуглецю, що утворюють сферу, пов'язані між собою сильної ковалентної зв'язком. Товщина сферичної оболонки - 0,1 нм, радіус молекули З₆₀ - 0,357 нм. Структура молекули фулерену цікава тим, що в такого вуглецевого "неї" утворюється порожнину, у якому завдякикапиллярним властивостями можна запровадити атоми і молекули інших речовин, що дозволяє, наприклад, можливість їх безпечної транспортування. Принаймні дослідження фулеренів були синтезовано і вивчені їх молекули, містять різне число атомів вуглецю - від 36 до 540.

Поруч ізсфероидальними вуглецевими структурами можуть також утворюватися довгі циліндричні структури, звані нанотрубки, відкриті 1991 року З.Ииджимой і відмінні широким розмаїттям фізико-хімічних властивостей. Ідеальна вуглецевананотрубка - це молекула з понад мільйон атомів вуглецю, що є циліндр, отриманий при згортанняграфеновой площині, діаметром близьконанометра і кілька десятків мікрон. У стінках трубки атоми вуглецю перебувають у вершинах правильних шестикутників.