Получение наноматериалов

Вторая  и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов [5-8 ].

К четвертой категории относятся  композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать  наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами  и/или нановолокнами, изделия с  измененным ионной имплантацией поверхностным  слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.

2.3. Основные  типы структур наноматериалов

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых  они состоят. В связи с этим  целесообразно классифицировать структуры  наноматериалов по этим признакам (рис. 2.2). По форме кристаллитов наноматериалы  можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные [4-5]. Разумеется толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения порядка 100 нм и менее. Исходя из особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов[5-5]. К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов  и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными. Примерами таких материалов

 

Рис. 2.3. Основные типы структуры наноматериалов [4,5].

являются  чистые металлы с нанокристаллической  равноосной структурой и слоистые поликристаллические  полимеры. Ко второй группе относят  материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными  по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых  как кристаллиты, так и границы  имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы.

3. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ  И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

3.1. Физические  причины специфики наноматериалов

Наиболее сильные изменения  свойств наноматериалов и наночастиц наступают в диапазоне размеров кристаллитов порядка 10..100нм. Основные физические причины этого можно  проиллюстрировать на рис 3.1. 

 

рис. 3.1   Основные физические причины специфики наноматериалов

3.2. Основные  области применения наноматериалов  и возможные ограничения

В качестве наглядного примера можно  указать некоторые области применения (или иначе «коммерциализации») наноматериалов по печатным материалам последних лет. Естественно, что данный обзор областей применения наноматериалов ни в коей мере не является цельным, однако он может  дать нужное представление о перспективах использования наноматериалов.

4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Основные методы получения наноматериалов можно разделить на ряд технологических  групп (рис. 4.1): методы на основе порошковой металлургии, методы, в основе которых  лежит получение аморфных прекурсоров, поверхностные технологии (создание покрытий и модифицированных слоев  с наноструктурой), методы, основанные на использовании интенсивной пластической деформации, и комплексные методы, использующие последовательно или  параллельно несколько разных технологий. 

 

Рис. 4.1. Основные методы получения наноматериалов

5. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ  НАНОМАТЕРИАЛОВ

Для исследования наноматериалов в принципе могут  применяться практически те же методы, что и для исследования обычных  кристаллических материалов. Однако у наноматериалов существует особая специфика, которая заключается  в предъявлении повышенных требований к разрешающей способности методов, а именно возможность исследовать  участки поверхности образцов с  размерами менее 100-200 нм. Таким образом, можно выделить ряд методов структурного и химического анализа, применение которых позволяет учесть специфику  наноматериалов. Ниже представлены основные из таких методов.

5.1. Электронная  микроскопия.

По сравнению  со световыми микроскопами использование  электронного луча с малой длиной волны позволяет существенно  увеличить разрешающую способность.

В настоящее  время используются несколько конструкций  электронных микроскопов: просвечивающие, растровые (сканирующие), эмиссионные  и отражательные. Наибольшее применение при исследованиях наноматериалов нашли методы просвечивающей и растровой  электронной микроскопии.

5.2. Спектральные  методы исследования.

К спектральным методам  обычно относят методы исследования поверхности твердых тел, основанные на анализе энергетических спектров отраженных излучений, возникающих  при облучении изучаемого материала  электронами, ионами и фотонами (рис. 5.4). Таких методов в настоящее время известно несколько десятков. Однако не все из этих методов имеют преимущественное или особенное применение в области исследования наноматериалов. Так, например широко известный метод рентгеноспектрального микроанализа имеет при количественном анализе диаметр анализируемого участка на образце не лучше 1-2 мкм, а метод рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия – даже 2-10 мм. В связи с этим ниже будет рассмотрен ряд методов, которые с одной стороны по своим возможностям представляют интерес именно для изучения наноматериалов, а с другой - являются наиболее иллюстративными и достаточно широко используемыми.

5.3. Сканирующие  зондовые методы исследования

Данная  группа методов является наиболее широко используемой в области наноматериалов и нанотехнологий. Основная идея всех методов данной группы заключается  в использовании зонда – устройства считывания информации с поверхности  исследуемого материала. В большинстве  случаев в качестве рабочего тела зонда используется алмазная игла с  радиусом при вершине порядка 10 нм. С помощью высокоточного позиционирующего (сканирующего) механизма зонд перемещают над поверхностью образца по трем координатам. Как правило имеется  два диапазона перемещения зонда: грубое перемещение с относительно низкой точностью и высокой скоростью  и точное перемещение с достаточно низкой скоростью и высокой точностью  позиционирования до 0,1-1 нм. Большая  точность позиционирования обеспечивается как правило по высоте. Сигнал от зонда обрабатывается с помощью  компьютера и преобразуется в  трехмерное изображение. Для обработки  снимаемых сигналов, их фильтрации и корректировки используются специальные  пакеты программ. Стоимость и размеры  зондовых микроскопов, как правило, значительно ниже, чем у электронных, а возможности вполне соизмеримы. Тем более, что для ряда вариантов  зондовой микроскопии наличие вакуума  не требуется, материалы исследования могут быть самые разнообразные, в том числе изоляторы, полупроводники, биологические объекты. При этом исследования могут проводиться  без существенного повреждения  объекта и с достаточно простой  подготовкой его поверхности (например только полировка отдельного участка).

 

Заключение

В заключении необходимо подчеркнуть, что  развитие науки о нанотехнологиях  может уже в недалекой перспективе  привести к заметному развитию базовых  отраслей экономики: машиностоения, электроники  и оптоэлектроники, информатики, средств  связи, энергетики (В том числе  атомной), сельского хозяйства, здравоохраниеия, экологии и др. Успех в развитии этих направлений будет определятся, по сути, решением двух основных проблем: разработка надежных способов создания наноматериалов и нанообъектов с  требуемыми свойствами и разработка новых и развитие существующих методов  диагностики с атомным разрешением. На очереди создание эффективных  технологических процессов, обеспечивающих получение материалов с нанокристаллической  стуктурой в промышленных масштабах. Бузусловно, эти проблемы не могут  быть полностью решены без обучения и привлечения  высококвалифицированных  кордов.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Фейнман Р.Ф. Внизу  полным-полно места: приглашение  в новый мир физики. // Российский химический журнал, 2002, Т.XLVI, №5. С.4-6.
2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Уч. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 115 с.
3. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы – состояние разработок и применение. // Перспективные материалы. 2001. №6. С.5–11.
4. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2003 – 112 с.