Раздел 9. Новые конструкционные материалы: наноструктурные материалы, металлические стекла и жидкие кристаллы

Программа. Новые конструкционные материалы все более широко применяются в технике. Для многих новых материалов отмечена недостаточная изученность их свойств, сложность технологии их получения, ограниченность применения. Однако исключительные свойства новых материалов делают их использование перспективным.

Методические указания. Наноструктурные материалы обнаруживают целый ряд особых физических свойств: понижение температуры плавления, изменение типа кристаллической структуры и типа проводимости, повышение прочности.

Применение наноматериалов позволяет во много раз снизить размеры приборов и устройств, повысить объем памяти в приборах информатики, во много раз снизить энергопотребление, повысить точность диагностики медицинских приборов, создавать новые виды композитов, осуществлять химические реакции, невозможные для вещества в макрообъеме.

Заданные свойства наноматериалов устанавливают на атомно-молекулярном уровне вещества: добавление всего одного атома означает легирование наноматериала.

Значительно сокращаются объемы каталитических систем: пленка из наночастиц на наноносителе выполняет роль эффективного катализатора.

Уникальные свойства наноматериалов обнаружены при различных размерах наночастиц для разных веществ: золото обнаруживает аномальные свойства при линейных размерах 1-5 нм; возможны кластеры различных материалов (Ir, Si, Re) размером 2-10 нм. Кластеры могут состоять из десятка или сотен атомов.

Металлические стекла характеризуются уникальными магнитными свойствами, которые обеспечили металлическим стеклам широкое применение в автоматических устройствах. Одно из них – способность очень быстрого перемагничивания и эффект памяти.

Получение металлических стекол требует очень быстрой закалки – для того, чтобы металл не успел закристаллизоваться. С этой целью жидкий металл льют на вращающийся холодный диск: образуется тонкая сплющенная капля – пластина. В некоторых случаях расплавленный металл льют на вращающийся вал – получают ленты из металлического стекла.

Аморфное состояние стекол неустойчиво, возможно образование островков с кристаллической структурой. Стабилизация аморфной структуры стекол остается пока не решенной задачей.

Жидкие кристаллы приобрели очень широкое применение в информационных системах благодаря своей способности выводить различную информацию на экран какого-либо устройства - компьютера, рекламного щита, термометра, часов и др. Время записи и «стирание» информации составляет доли секунды, но информация может сохраняться в памяти устройства долгое время.

По химическому составу жидкие кристаллы являются органическими веществами сложного состава. По морфологическим особенностям они разделяются на нематики, смектики, холестерики. Упорядочивание в размещении молекул может происходить в одном, двух либо в нескольких направлениях.

Вопросы

1. Каковы размерные параметры наноструктурных материалов (верхние и нижние)?

2. Назовите некоторые из свойств наночастиц металлов.

3. Области применения металлических стекол и жидких кристаллов.

4. Можно ли считать некоторые виды загрязнений наночастицами?