Оптические свойства наноматериалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ДГТУ)

Кафедра «Химия»

 

       Зав. кафедрой _______________        

        «____» ______________ 2015 г.

 

 

 

 

        Реферат

 

На тему: «Оптические свойства наноматериалов».

 

 

 

                 

 

 

 

 

Выполнила: ст.гр  ТМТО-11                                       Соловьева К.В.

 

 

Проверил:преп.                                                              Герасина Ю.С.

 

 

 

 

 

Ростов-на-Дону

2015

 

 

Введение

 

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:  фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;  развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов, а также поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;  развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий. XXI век ознаменовался революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине).   Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств. В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено следующими причинами:  стремлением к миниатюризации изделий,  уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии,  необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами,  развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации,  практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия),  развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии, технологий получения нанопорошков и т.п.,  приближением к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т.п.). Направление наноструктурных исследований уже почти полностью сместилось от получения и изучения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии, т. е. создания изделий, устройств и систем с наноразмерными элементами.   Основные области применения наноразмерных элементов — это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Причины широкого интереса к нанотехнологиям и наноматериалам

 

 

• нанотехнологии позволяют получить принципиально   новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д.
• нанотехнология оказалась весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники, экономики, социологии и др.
• решение проблем нанотехнологии выявило много пробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях.

 

Наноматериалы, их классификация

 

 

Наноматериалы (НМ) – материалы, созданные с использованием 

наночастицы и/или посредством 

нанотехногий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале.

По рекомендациям 7 Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие виды наноматериалов:

• нанопороистые структуры
• наночастицы
• нанотрубки и нановолокна
• нанодисперсии (коллоиды)
• наноструктурированные поверхности и   пленки
• нанокристаллы и нанокластеры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основы классификации наноматериалов

 
 
В соответствии с приведенной на предыдущей странице терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 8). 
 

 

Рис. 8. Классификация наноматериалов. 
 

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий. Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий. Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса. В первый класс входят однофазные материалы, структура и (или) химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Они находятся в неравновесном состоянии. К таким материалам относятся, например, стекла. Ко второму классу можно отнести многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов. Четвертая категория включает композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов из первой категории и второй категории.

 
 
Особенности свойств наноматериалов и основные направления их использования

 

Наиболее сильные изменения свойств наноматериалов и наночастиц наступают в диапазоне размеров кристаллитов порядка 10..100нм. Основные физические причины этого можно проиллюстрировать на рис 9. Для наночастиц доля атомов, находящихся в тонком поверхностном слое (~ 1 нм), по сравнению с микрочастицами заметно возрастает. У поверхностных атомов задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов, находящихся на выступах поверхности, ненасыщенность связей еще выше. В результате в приповерхностном слое возникают сильные искажения кристаллической решетки и даже может происходить смена типа решетки. Другим аспектом является тот факт, что свободная поверхность является местом сосредоточения (стока) кристаллических дефектов. При малых размерах частиц их концентрация заметно возрастает за счет выхода большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. Установлено, что процессы деформации и разрушения протекают, в первую очередь, в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, что во многом определяет механические свойства (прочность, пластичность). 
 

 

Рис. 9. Основные физические причины специфики наноматериалов. 
 
Следующей причиной специфики свойств наноматериалов является увеличение объемной доли границ раздела с уменьшением размера зерен или кристаллитов в наноматериалах. 

Рис. 10. а)- Атомная модель наноструктурного материала (черным обозначены атомы зернограничной области у которых смещение превышает 10 % от межатомных расстояний); б) – Границы зерна в наноструктурной меди (просвечивающая электронная микроскопия). 
 
Экспериментальные исследования показали, что границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием высокой концентрации зернограничных дефектов (рис. 10). Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений. В тоже время границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дефекты. Неравновесность границ зерен вызывает возникновение искажений кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери упорядоченности. Результатом является значительное повышение микротвердости. Важным фактором, действующим в наноматериалах, является также склонность к появлению кластеров (скоплений атомов, молекул, …). Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, а также наличие сил притяжения между ними, часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур. Этот эффект уже используют для создания упорядоченных наноструктур в оптике и электронике. Еще одну причину специфики свойств наноматериалов связывают с тем, что при процессах переноса (диффузия, электро- и теплопроводность и т.п.) имеет место некоторая эффективная длина свободного пробега носителей этого переноса Le. При переходе к размерам меньше Le скорость переноса начинает зависеть от размеров и формы и, как правило, резко возрастает. В качестве Le. может выступать, например, длина свободного электрона. Для материалов с размерами кристаллитов в нижнем нанодиапазоне D < 10 нм появляется возможность проявления квантовых размерных эффектов. Такой размер кристаллитов становится соизмеримым с длиной дебройлевской волны для электрона &labda;B ~ (meE)-1/2 (me – эффективная масса электрона, E – энергия Ферми). Для металловλB≈0,1…1 нм, а для ряда полупроводников, полуметаллов и тугоплавких соединений переходных металлов λB≈5…100 нм. Для любой частицы с малой энергией (скорость частицы v << скорости света c) длина волны де Бройля определяется как λB = h/mv, где m и v – масса и скорость частицы, а h - постоянная Планка. Квантовые эффекты будут выражаться, в частности, в виде осциллирующего изменения электрических свойств, например, проводимости или появления стационарных энергетических состояний электронов.

 

 

 
 

 

 

 

 

Конструкционные материалы

 

 

 

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использования в настоящее время – это получение высокопрочных и износостойких материалов. Так прочностные свойства увеличиваются по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а вязкость – либо уменьшается очень незначительно, либо возрастает, особенно, в случае керамических наноматериалов. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.   
 
                   Инструментальные материалы 
 

 
Инструментальные сплавы с нанозерном являются, как правило, более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков. 

 
Защита материалов

 

   Для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами .

 

 

 

 

 

 

Оптические свойства

 

 

Интерес к исследованию оптических свойства квантовых точек обусловлено ярко выраженной практической направленностью и рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными квантовыми долинами. Особенность квантовых точек является, во-первых, возможность управления спектральной полосой фотоотклика путем предварительного заселения дискретных состояний с требуемой энергией переходов; во-вторых, наличие латерального квантования в нуль-мерных системах снимает запрет на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотоприемника, а значит, предоставляет возможность осуществить поглощение света при нормальном падении фотонов; в-третьих, в  квантовых точках ожидается сильное увеличение времени жизни фотовозбужденных носителей вследствие так называемого эффекта «узкого фононного горла».

 

 

Наноматериалы в машиностроении

 

 

Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидро и электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.).  
Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и прессформы, а также износо, коррозионно, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет наноструктурированная продукция триботехнического направления и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий.  
При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износо. жаро, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов, так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные нанотрубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономику в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки. 
К 2015 году будет происходить формирование рынка потребителей наноматериалов. Появится большое число потребительских нанопродуктов, в которых тем или иным образом используются нанотехнологии, конструкционные композитные материалы на базе высокопрочных волокон (углеродных нанотрубок) для промышленного применения, например, в авиастроении, автомобильной и военной технике; увеличится применение нанопорошков и нанопокрытий, в том числе в машиностроении, применение нанотехнологий для производства абразивных материалов, буровых и металлообрабатывающих инструментов. 
В последнее время и в России наметились определенные успехи в практической реализации научных исследований. Так, наноструктурированная продукция инструментального и триботехнического назначения уже сейчас не уступает лучшим зарубежным аналогам. 
В отчете представлены результаты внедрения в производства ряда изделий с применением нанотехнологий, в том числе непосредственно для машиностроения или которые могут быть применены на предприятиях данной отрасли. 
Так на СП «Мосвирт» методом ИПД организовано производство поворотных резцов с наноструктурными кернами для фрезерования асфальтобетонных покрытий дорог, пластов в соле и угледобыче. Объем продаж таких резцов за последние пять лет достиг 5 млн. долл. Освоено производство пластин режущего инструмента с объемом выпуска 1 млн. шт. в год. Освоено производство наноструктурированных гидроштампованных нержавеющих фитингов (крестовины, угольники, переходники). Сортамент – сталь 12Х18Н ЮТ диаметр 6–50 мм, толщина стенки 0,8–2 мм. 
Созданы промышленные образцы новой импортозамещающей продукции и инновационных проектов в области объемного наноструктурирования традиционных металлов, обеспечивающих повышение долговечности. Это стальные и керамические изделия конструкционного, инструментального назначения, изделия для транспортного машиностроения.  
Без изменения химического состава стандартных быстрорежущих сталей и твердых сплавов ВК и ВМ за счет термоциклического наноструктурирования и ионного синтеза SiC и SiO2 из плазмы кремния создан уникальный металло и деревообрабатывающий строительный и буровой комбинированный инструмент, не имеющий аналогов по стойкости и на 1520% дешевле лучших мировых образцов. 
Заметный прогресс достигнут в области производства ультрадисперсных нанопорошков. Расширяются и области их применения. Так, выпускаемые концерном «Наноиндустрия» наноразмерные порошки на основе серпентинитов нашли массовое применение в узлах трения практически всех видов оборудования. Речь идет о технологии восстановления изношенных узлов и механизмов промышленного оборудования до первоначальных параметров с помощью специальных ремонтновосстановительных составов (РВС). Стоимость ремонта по РВСтехнологии в 2–3 раза ниже, чем при использовании обычных технологий, что позволяет заменить плановые ремонты плановопредупредительной обработкой с увеличением межремонтного срока в 1,52 раза. Экономия электроэнергии и топлива после РВС составляет 1015%. 
Эта технология уже используется на ряде крупных предприятий: в ГУП «Мосводоканал», на Московской железной дороге, во ФГУП ММП «Салют», ОАО «Аэроприбор», ОАО «Карачаровский механический завод», на Московском метрополитене, в грузовом аэропорту Шереметьево. Ее успешные испытания прошли в странах Европы.  
В настоящее время на передовых предприятиях машиностроительного комплекса Воронежа реализуются восемь основных технологий на наноуровне, шесть из которых непосредственно для машиностроения, в том числе: 
электроэрозионная наноразмерная обработка профилированным и непрофилированным инструментом на электроискровых станках с программным управлением; 
электрохимическая отделочная и размерная обработка рабочих поверхностей нагруженных деталей для регулирования микротопографии поверхности на наноуровне; 
ионноплазменное упрочнение инструмента, штампов, деталей машин с нанесением алмазоподобного покрытия толщиной до 2 мкм (без изменения шероховатости поверхности, при нагреве изделия менее 100°С), обеспечивающее повышение работоспособности изделий на порядок; 
модификация поверхности за счет скоростных химико термических взаимодействий плазменных струй с поверхностью металла с целью повышения износо и коррозионной стойкости и твердости низкоуглеродистых легированных сталей; 
закалка поверхности на глубину до 1,5 2 мм (с оплавлением или без оплавления) с возможностью регулирования параметров поверхностного слоя; 
ионноплазменное осаждение: благодаря тому, что в его основу заложен универсальный принцип ионного испарения, установка позволяет получать тонкопленочные покрытия (до [мкм] из широкого спектра материалов: практически любого состава с заданной структурой – нанокристаллической, аморфной, кристаллической, композитной. 
Для известных автомобилестроительных фирм разработаны или разрабатываются ниже приведенные полимерные нанокомпозиты. Они предназначенны для ненагруженных элементов и деталей кузова и подкапотного пространства автомобиля и двигателя, внешней облицовки (молдинги, бамперы, обвесы, спойлеры и др.), внутренних элементов (панели приборов, перегородки, усиливающие элементы кресел, коврики, шумо, пыле, грязезащитные элементы и др.), трубок и быстроразъемных систем топливоподачи, трубок, дефлекторов и направляющих кожухов системы охлаждения двигателя и кондиционирования салона, трубок подвода и отвода масла, щеток стеклоочистителя, шин и др.:  
силикатные нанокомпозиты на основе нейлона6 (фирмы Toyota и Mitsubisi и фирма UBE (США)); 
нанокомпозиты на основе термопластичных олефинов (корпорация Volvo, General Motors); 
каучуковые нанокомпозиты; 
биоволокнистые нанокомпозиты; 
биопенопласты; 
углеродполимерные нанокомпозиты с использованием нанотрубок; 
нанокрасители, отталкивающие грязь с поверхности облицовки, сомоочищающие и противообледенительные составы, а также многофункциональные наноуглепластики с плотностью 400 кГ/м3, позволяющие изменять первоначальный цвет окраски по желанию потребителя. 
Кроме того непосредственно в машиностроении уже используются технологии и оборудование для изготовления деталей машин с нанометровой точностью и в этом направлении продолжаются дальнейшие исследования: электроискровая и электрохимическая обработка, фрезерование, шлифование, полирование, доводка и др. 
Эффект от использования наноматериалов выражается в экономии средств на транспортировку, сокращении энергозатрат, ослаблении нагрузки на окружающую среду, повышении эксплуатационных свойств.