Наноструктуризация материалов. Путь к их совершенству

    В четвертой диссертации cинтез наночастиц осуществлялся в углеводородном пламени с добавкой катализатора. Получены образцы углеродных нанотрубок и нанонитей, а в 5] синтезирован волокнистый углерод наряду со cтруктурами другой морфологии. Предложен  «магнитный» механизм образования и роста наноструктурированных форм углерода .

    В 6 - разработан метод получения наноструктурированного     углерода для химических  источников тока .

    После разрабатывается плазменный метод  получения перспективных новых материалов из углеводородных газов  - наноуглеродных трубок и фуллеренов широкого назначения. Изучены закономерности и условия образования наноструктур в      плазмохимическом реакторе постоянного тока. Испытана опытная   установка на базе плазмохимического реактора с пироуглеродными электродами. Разработаны технологические рекомендации по получению наноуглеродных композитов.

    Некоторые исследования направлены на разработку полупроводниковых материалов нового поколения. Так, в Институте органического катализа и электрохимии (ИОКЭ) им. Д. В. Сокольского разработаны комплексные электролиты для электроосаждения тонкопленочного полупроводникового соединения CdTe с нанокристаллической структурой без посторонних примесей. В рамках НИР «Метод получения тонких пленок полупроводников для солнечных элементов» в ИОКЭ разработана технология изготовления наноструктурного  материала CdTe, который может быть использован в гетеро-структурном солнечном элементе.

    Синтезированы сложные трехкомпонентные висмутиты  на основе оксидов висмута, щелочноземельных и редкоземельных элементов. Сложный висмутит EuCaBiO4 является активным фотолюминесцентным материалом и широкозонным полупроводником и может быть использован в производстве тонких пленок в качестве оптического материала в электронной промышленности. EuCaBiO4 относится к числу наноматериалов и рекомендован к применению в производстве опто-волоконных материалов.

    На  основе кварца методом механохимического  синтеза получены порошки: наноразмерные соединения на поверхности кварцевых частиц с участием различных химических элементов, выполняющие роль защитных покрытий на металлической поверхности; разработан способ получения магнитного адсорбента на основе золошлака для очистки воды.

    С целью получения наноструктурных  материалов с повышенными механическими свойствами и ультрамелкозернистой структурой разрабатываются новые способы обработки металлов давлением с применением интенсивной   сдвиговой деформации.  Прессованием получены заготовки из стали 45 с механическими свойствами, не уступающими дорогим легированным сталям.

    В Институте химических наук им. А. Б. Бектурова исследованы особенности синтеза новых неорганических нано-структурированных фосфат-, сульфат- и гуматсодержащих соединений и выявлены основные закономерности взаимодействия компонентов при получении новых материалов полифункционального назначения и комплексных туков.  Установлена взаимосвязь состава и свойств гуматсодержащих продуктов.

    В Южно-Казахстанском  государственном  университете им. М. О. Ауэзова исследованы люминесцентные свойства  наноструктур на основе  комплексных кислородсодержащих соединений металлов, полученных золь-гель методом и методом низкотемпературного синтеза; разработана технология  получения люминофоров на основе плазменных процессов.

    Разработка  и исследование  механических, электриче-ских и  оптических свойств диэлектрических   наноматериалов электронной техники (кристаллов и окислов  с включением наноматериалов типа ZnS, CdS, металлических частиц,  нанопорошков из Cd, Al) в поле радиации проводятся в КазНУ им. аль-Фараби. Разработана физическая модель изменения свойств в полях мощного ионизирующего излучения на примере диэлектриков с учетом влияния дефектности среды.

    Осуществлена  трехмерная поликонденсация пиролизата  рисовой шелухи, пирокатехина и формальдегида. Разработана технология получения наноструктурных полимерных материалов для реализации  высокоселективных и высокоскоростных процессов сорбции и ионного обмена в различных отраслях.

    Золь-гель-методом  синтезированы наноструктурированные  пленки оксида олова. Исследованы структура, оптические электрические характеристики пленок. Разработаны режимы плазменной обработки прозрачных наноразмерных пленок диоксида олова.

    Казахстанские ученые работают также над получением алмазных кластеров и наноматериалов плазмохимических порошков для получения пористой керамики на основе диоксида  циркония, углеродных нановолокон, нанотруб путем каталитического пиролиза метана  биосовместимого титана с нанокристаллической структурой.

Применение  нанотехнологии:

К примеру, для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации.

Уменьшение  размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.

Такие нанопроцессы делают возможным конструирование  сверхминиатюрных электронных устройств.   
 
 
 
 
 
 
 

Будущее - за наноструктурированными материалами.  
 
Однако британские исследователи нашли выход из тупика. Они обнаружили, что магнетокалорические свойства материала зависят не только от его химического состава, но и от его структуры. Мельчайшие дефекты кристаллической решетки, то есть наличие неких свободных атомов, не желающих упорядочиваться, резко усиливают охлаждающий эффект при размагничивании. Причем такие дефекты, такие включения легко получить искусственным путем и тем самым обойтись без драгоценного гадолиния.  
 
"Наши исследования свидетельствуют о том, что в принципе возможно получение материала, как бы скроенного по нашей мерке, то есть обладающего нужными нам свойствами, - говорит Лесли Коэн. - Такой процесс называется наноструктуризацией. С его помощью мы намерены оптимизировать поведение парамагнетиков в магнитном поле и добиться более сильного эффекта охлаждения".  
 
С точки зрения эффективности превращения электроэнергии в холод магнитные холодильники уже сегодня превосходят компрессорные. В ходе лабораторных испытаний прототипа такой магнитной холодильной установки коэффициент ее полезного действия составил 60 процентов - притом, даже у лучших моделей традиционных аппаратов этот показатель едва достигает 40 процентов. Лесли Коэн считает это важнейшим аргументом в пользу нового холодильника: "Задача энергосбережения сегодня актуальна как никогда, и тут наша разработка будет как нельзя более кстати. Ведь в одних только США половина всей потребляемой летом энергии расходуется холодильниками и кондиционерами".

Список  литературы

1. Елинсон  М.И. Исследования физических  проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.

2. Третьяков  Ю.Д. Процессы самоорганизации  в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.

3. Андриевский  Р.А. Наноматериалы: концепция  и современные проблемы // Российский  химический журнал. 2002. Т.46, №5.

4. Шабанова Т. А. Химическая физика, структура и морфология поверхности наноуглеродных материалов.2005

5. Стацюк В. Н. Адсорбция и электродные процессы комплексов металлов с гетероциклическими аминами.2005