Лекция 11

Модуль 3. Структура и ее роль в обеспечении заданного комплекса свойств материалов

Тема 3.3. Наноструктурные материалы

НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Приставка «нано» (10–9 м) прочно вошла в современный научно-технический обиход настолько, что выражения «наноматериалы», «наноэлектроника», «нанотехнологии», «нанонаука» и др. являются широко используемыми терминами в научно-технической литературе и программах НИР.

«Нано» - направление, родилось на стыке физики, химии, материаловедения, биологии, электронной и компьютерной техники, и содержит наноразмерные объекты от 1 до 100 нм.

Нанообъекты:

-индивидуальные частицы, пленки, стержни или трубки; -консолидированные наноструктурные и нанопористые материалы, получаемые:

-компактированием нанопорошков; -интенсивной деформацией поликристаллов; -кристаллизацией аморфных сплавов.

НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (продолжение)

Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы размером от 1 до 100 нм (или точнее – характерные элементы структурно-фазового состояния которого имеют размеры до 100 нм), которые определяют или существенно влияют на их свойства и функциональные характеристики.

Наноустройства (нанообъекты, наносистемы) – устройства (объекты, системы), линейный размер которых хотя бы в одном направлении составляет от 1 до 100 нм.

Нанотехнологии – технологии, позволяющие оперировать элементами размером от атомных до 100 нм.

Наноиндустрия – комплекс производственных, научных, образовательных и финансовых организаций, осуществляющих целенаправленную деятельность по созданию продукции, относящейся к сфере нанотехнологий.

НАНОСОСТОЯНИЯ

Научный интерес к нанокристаллическому состоянию твердого тела в дисперсном или компактном виде связан с ожиданием возможного влияния размера наночастиц и нанокристаллитов на их свойства и свойства материала.

Роль размера наночастиц:

-соизмерим или меньше, чем характерный корреляционный масштаб того или иного физического явления, или характерная длина (например, длина пробега электронов, длина волны упругих колебаний, размер магнитного домена и др.);

-возникает уникально большой вклад поверхностной энергии в суммарную свободную энергию наночастицы;

-малый размер зерен обусловливает большую развитость и протяженность межзеренных границ раздела, что вызывает комплекс явлений, связанных с изменением свойств вещества вследствие возрастания доли вклада поверхности в общие свойства системы.

Благодаря этим факторам нанокристаллические материалы по свойствам существенно отличаются от обычных поликристаллов. По этой причине уменьшение размера зерна рассматривают как эффективный метод изменения свойств материалов.

.

Наш взгляд на наноматериалы

Наноматериалы – это метастабильные твердые тела, в которых масса неизученных явлений:

-микроструктура: строение границ раздела и их атомная плотность, формы свободного объема, влияние нанопор и других форм свободных объемов на свойства;

-конденсированное вещество (консолидированное из наночастиц) – это макроскопические ансамбли ультрамалых частиц (кристаллитов), необычные свойства которых обусловлены как особенностями этих частиц, так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами;

-наночастицы – как дисперсная среда: строение, свойства, поведение, взаимодействие с аналогами и в ансамбле.

Предметом этой главы являются рассмотрение и обсуждение эффектов нанокристаллического состояния, строения и свойств дисперсных тел (порошков) и компактных твердых тел с нанометровым размером основных структурных элементов – зерен и частиц фаз.

Основные виды наноструктурных материалов

1. Классификация

наноматериалов

Классификация по геометрическому и физическому признакам

По геометрическому признаку, представленному на рис., можно выделить:

-нанодисперсии (кластеры и частицы - 0);

-многослойные и волокнистые материалы (1);

-наноструктурные покрытия и пленки (2);

-объемные наноструктурные материалы (3).

Термин "кластер" применяют для обозначения наночастиц, имеющих размеры менее 1 нм

1. Классификация наноматериалов

(продолжение)

По физическому признаку наноматериалы имеют предельные значения размеров структурных элементов различные для разных свойств и материалов. Расчетные значения размеров частиц и зерен, в которых отсутствуют призматические дислокационные петли и краевые дислокации показаны в таблице .

Видно, что размер бездефектных частиц значительно больше размера бездефектных зерен в поликристаллах, и критерий «наноразмерности» отличен для частиц и зерен, если следовать физическому признаку классификации.

Расчетные значения размеров бездефектных

2. Свойства изолированных наночастиц

Наночастицы могут быть получены как посредством сборки отдельных атомов, так и дроблением объемного материала.

При минимизации объема и максимизации плотности наночастицы с формой, близкой к сферической, и плотноупакованной структурой для объемных тел можно вывести количество атомов в частице называемое магическими структурными числами.

Для материалов с ГЦК решеткой наименьшая из теоретически возможных частиц состоит из 13 атомов. Такая частица называется кубоктаэдром и состоит из 14 граней – 6 квадратных граней и 8 граней в форме равностороннего треугольника. Если нарастить на частицу еще один слой, то есть добавить еще 42 атома, то получится частица из 55 атомов. Добавляя слои к такой частице, можно получить еще большие наночастицы, которые образуют ряд кластеров с суммарным числом атомов N = 1, 13, 55, 147, 309, 561 и т.д., которые называются структурными магическими числами. Для n слоев количество атомов N в такой ГЦК частице определяется по формуле:

N = (1/3) [10 n3 – 15 n2 + 11 n – 3], (1) где число атомов на поверхности Nпов определяется по формуле:

Наночастицы и их поверхность

На рис. представлен график зависимости доли атомов на поверхности частицы от ее диаметра для частиц Fe, Pb и Al.

Наночастицы (ГЦК) чистых металлов, такие как Au55, обычно очень

реакционноспособны и имеют малое время жизни. Их можно стабилизировать лигандами, добавляя атомные группы между атомами кластера и на его поверхность.

Конфигурации атомных кластеров, в которых электроны образуют заполненные оболочки, особенно устойчивы.

Увеличение числа атомов в кластере приводит к быстрому повышению энергии упругой деформации, которая пропорциональна объему; в результате в кластере большого размера рост упругой энергии превышает снижение поверхностной энергии, следствием чего является дестабилизация структуры.