История развития нанотехнолоий и нанообъектов

Изучение малоразмерных объектов (порошков, пленок, кластеров, коллоидов) началось задолго до появления терминов «наноматериалы», «нанотехнологии». Археологические находки свидетельствуют о существовании рецептур приготовления коллоидных систем еще в античном мире. Так «Китайские чернила» появились более 4-х тысяч лет назад, а возраст биологических нанообъектов исчисляется с момента возникновения жизни на Земле.

Можно считать, что первым научным упоминанием малых частиц является открытое в 1827 году шотландским ботаником Р. Броуном беспорядочное движение на поверхности жидкости частиц цветочной пыльцы (R. BROWN. Philosoph. Mag. 4, 161 (1828)). Теория броуновского движения, разработанная в первой половине 20-го века А. Эйнштейном, используется для определения размеров наночастиц, диспергированных в жидкостях.

Началом систематического изучения наноструктурного состояния вещества можно считать исследования коллоидов и возникновение коллоидной химии как самостоятельной дисциплины во второй половине 19-го века. М. Фарадей в 1856-1857 гг. получает и исследует свойства коллоидных растворов высокодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Отмеченное М. Фарадеем изменение цвета в зависимости от размера частиц – один из первых примеров исследования размерных эффектов в нанообъектах.

В начале 20-го века Д.Томсон пришел к выводу, что наблюдаемые аномально высокие значения электросопротивления тонких пленок по сравнению с крупнокристаллическими материалами связывались с ограничением длины свободного пробега электронов размером образца. Предложенная им формула имеет вид:

,

где ρ₀ – удельное электросопротивление крупнокристаллического материала, ρ - удельное электросопротивление пленки; k=δ/l (k‹1). l – длина свободного пробега электронов; δ- толщина пленки.

Основные особенности проявления размерных эффектов в наноматериалах могут быть сформулированы следующим образом:

- с уменьшением размера зерна значительно возрастает роль поверхностей раздела;

- свойства поверхностей раздела в нанометровом интервале могут быть отличными от таковых в обычных крупнокристаллических материалах;

- размер кристаллитов по мере их уменьшения может быть соизмерим с характерными размерами некоторых физических явлений (длина свободного пробега, длина волны де-Бройля и др.).

Выяснение физической природы размерных эффектов – одна из важнейших проблем материаловедческой науки.

Интерес к данной области знаний обусловлен тремя обстоятельствами.

Во-первых, методы нанотехнологий позволяют получить принципиально новые устройства и материалы, с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биологии, медицины, охраны окружающей среды.

Во-вторых, разработки по нанотехнологиям оказалась на стыке различных наук и технологий естественно-научного направления (физика, химия, биология, компьютерная техника, сканирующая микроскопия, микроэлектроника и т. д.)

В-третьих, введение дисциплин по наноматериалам и нанотехнологиям в образовательный процесс значительно расширяет базу подготовки современных инженерных кадров и специалистов высокой квалификации.

Можно перечислить основные перспективные направления развития нанотехнологий: нанопроцессоры с низким уровнем энергопотребления и малыми габаритами; небольшие по размеру запоминающие устройства с огромным объемом памяти; новые лекарственные препараты и методы их введения в организм; новые методы мониторинга окружающей среды. Наука о малоразмерных объектах – это совокупность знаний о свойствах вешеств и явлений в нанометровом масштабе.

В 1990 г. в компании IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа была сложена аббревиатура из 35 ксеноновых атомов на грани (110) никелевого монокристалла, что продемонстрировало возможности нанотехнологий.

В 20-м веке стали интенсивно развиваться исследования тонких пленок и ультрадисперсных порошков. Создание наноматериалов непосредственно связано с разработкой и применением нанотехнологий. Создаются материалы с заданными физическими свойствами, которые не могли существовать в природе в естественном виде. К числу таких материалов относятся

ТЕРМИНОЛОГИЯ

1.1 Основные понятия и определения, используемые в микро- и нанотехнологиях

Термин «нано» происходит от греческого «нанос» (карлик) и соответствует одной миллиардной доле единицы. Нанотехнологии и науки о наноструктурах и наноматериалах имеют дело с объектами размером от 1 нм до 100 нм.

Нанотрубки - фуллереновые трубки – тубулены, представляющие собой полые цилиндрические образования, собранные из шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода, и имеющие, как правило, на конце сферическую крышку, включающую пятиугольные грани.

Фуллерены - молекулы С₆₀ и С₇₀, имеющие форму замкнутой поверхности (сферической, эллипсоидальной).

Магнитные жидкости -коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц в обычных жидкостях.

Суспензия (лат. suspensio, буквально - подвешивание) ‑ смесь веществ, где твёрдое вещество распределено в виде мельчайших частиц в жидком веществе во взвешенном (неосевшем) состоянии.

Ферросуспензии (ФС) ‑ дисперсные системы, в которых дисперсной фазой служат ферро- и ферримагнитные частицы.

Магнитореологический эффект ‑ резкое изменение механических свойств (вязкости, пластичности, упругости) некоторых суспензий под воздействием магнитных полей.

Магнитофорез - направленная магнитодиффузия под действием неоднородного магнитного поля.

Бародиффузия -гравитационная диффузия, которая может наблюдаться в дисперсных системах.

Седиментация ‑ оседание частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести.

Индуцированная внешним магнитным полем структура ФС ответственна за появление нелинейных реологических эффектов ‑ вязкопластичности, упруговязкости. Сложная реологическая специфика подобных суспензий позволила в дальнейшем определить их как магнитореологические среды (МРС). Термин «магнитореологическая жидкость» относится и к жидкостям, которые затвердевают в присутствии магнитного поля. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера; они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости.

Кластер – химическое соединение, содержащее ковалентную связь между атомами или молекулами.

Лиофильные кластеры могут собирать на своей поверхности молекулы окружающей среды и образовывать с ними прочные сольватные комплексы.

Лиофобные кластеры не адсорбируют на своей поверхности молекулы растворителя.

Коллоидные кластеры образуются в растворах в результате химических реакций и могут иметь размеры от 1 до 100 нм.

Лиганд (от латинского ligare - связывать) – атом или молекула, связанные с неким центром – акцептором.

Механическое диспергирование - процесс механического измельчения агломератов порошка в диспергаторах за счет сдвигового деформирования.

Адсорбция – присоединение вещества (адсорбата) из газоподобной среды или из раствора к поверхностному слою жидкости или твердого тела (адсорбенту).

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, которые концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. Молекулы ПАВ, как правило, имеют в своем составе полярную часть (гидрофильный компонент).

Домены – области спонтанного намагничивания ферромагнетика, содержащие в себе большое количество молекулярных магнитных диполей, ориентированных параллельно друг другу. Эти образования достигают размеров 10^-5 – 10^{-3 мм.}

Дата добавления: 2015-06-25