Лекция №1. Основные понятия курса «Физико-химия наноструктурированных материалов»

Основные понятия курса «Физико-химия наноструктурированных материалов»

§1. Основные понятия и определения (терминология курса)

Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям в настоящее время только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы (рис. 1.1).

Самый простой подход связан с геометрическими размерами структуры таких материалов. Согласно такому подходу материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 100 нм называют наноструктурными.

Выбор такого диапазона размеров не случаен, а определяется существованием ряда размерных эффектов и совпадением размеров кристаллитов с характерными размерами для различных физических явлений. Нижний предел считается связанным с нижним пределом симметрии нанокристаллического материала. Дело в том, что по мере снижения размера кристалла, характеризующегося строгим набором элементов симметрии, наступает такой момент, когда будет наступать потеря некоторых элементов симметрии.

Для кристаллов с ОЦК и ГЦК решеткой такой критический размер равен трем координационным сферам, что для случая железа составляет около 0,5 нм, а для никеля - около 0,6 нм. Величина верхнего предела обусловлена тем, что заметные и интересные с технической точки зрения изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при снижении размеров зерен именно ниже 100 нм.

Рис.1.1. Терминологические подходы к понятию наноматериалов

Второй подход связан с огромной ролью многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах в формирование их свойств В соответствии с ним размер зерен (D) в наноматериалах определялся в интервале нескольких нанометров, т.е. в интервале, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет примерно DV»50% и более. Эта доля приблизительно оценивается из соотношения DV ~ 3 s/D, где s — ширина приграничной области. При разумном значении s около 1 нм 50%-я доля поверхностей раздела достигается при D = 6 нм.

Существует так же подход, в соответствии с которым для наноматериалов наибольший размер одного из структурных элементов должен быть равен или быть меньше, размера, характерного для определенного физического явления. Так для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла, для электропроводности – длина свободного пробега электронов. Существенными недостатками такого подхода являются, во-первых, несоответствие размеров структурных элементов для разных свойств и материалов и, во-вторых, различность характерных размеров для разных состояний одного и того же материала.

Некоторые ученые считают, что если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними, к нанотехнологиям.

И последним из терминологических подходов к понятию «наноматериал» является комплексный подход, согласно которому:

наноматериалы – это материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Следует отметить, что наряду с термином наноматериалы, который к настоящему времени получает все более широкое применение, получили распространение также равноправные термины «ультрадисперсные материалы», «ультрадисперсные системы» и «наноструктурные материалы» (в западных источниках).

При этом нанометровый масштаб размеров может относиться как к образцу материала в целом, так и к его структурным элементам. Соответственно, в первом случае нанообъектами является непосредственно образцы материалов, во втором – их структурные элементы. Наноматериалы, также как и обычные материалы, могут находиться в различных агрегатных состояниях. На практике наибольшее распространение находят твердотельные наноматериалы.

С понятием «наноматериалы» тесно связано понятие «наносистемы».

Наносистема – система, содержащая структурные элементы размером порядка 1-100 нм, определяющие ее основные свойства и характеристики в целом. К разряду наносистем относятся, в том числе, наноустройства и наноматериалы.

В практической деятельности особо важную роль играют функциональные системы, т.е. такие системы материальных объектов, которые используются или пригодны к использованию для решения практических задач и, соответственно, обладают функциональными свойствами, определяющими области их практического применения.

Функциональные наносистемы подобно наноматериалам характеризуются нанометровым масштабом размеров хотя бы в одном из трех измерений. Свойства функциональных наносистем, также как и свойства наноматериалов, могут проявляться весьма необычным образом в силу присущего им нанометрового масштаба размеров.

Наночастица — изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм.

§2. Классификация наноматериалов

Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурные материалы (рис. 1.2).

Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

К наночастицам относятся:

- Нанокластеры - разновидность наночастиц, представляющая собой аморфную или поликристаллическую наноструктуру, хотя бы один характерный размер которой находится в пределах 1-10 нм. Различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении атомов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные нанокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями;

Рис. 2.1. Классификация наноматериалов по структурным признакам

- Нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями – подобно массивным кристаллам (макрокристаллам).

- Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащее классу аллотропных форм углерода (аллотропия – существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур) и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода;

- Нанотрубки - протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров. Известны различные типы нанотрубок, из которых наиболее распространенным являются углеродные нанотрубки: одно- и многостенные, состоящие из одной или нескольких гексагональных графитовых (графеновых) плоскостей, свернутых в кольцо.

- Супермолекулы – это наноструктуры состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

- Биомолекулы, представляют собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки); мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;

- Липосомы - сферические частицы, состоящие из молекул особых органических соединений – фосфолипидов

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Наноструктурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наночастиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.

- Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом.

- К консолидированным наноматериалам относятся:

- Нанокристаллические материалы – это одно или многофазные поликристаллы состоящие из нанокристаллов с размером зерна от 1 до 15 нм;

- Фуллери́ты — это молекулярные кристаллы, в узлах решётки которых находятся молекулы фуллерена;

- Фотонные кристаллы, это наноматериалы, структура которых характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях;

- Слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки) – это периодические структуры, состоящие из тонких чередующихся в одном направлении слоев полупроводников

- Матричные нанокомпозиты –это структуры, состоящие из твердофазной основы – матрицы, в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);

- Нанопористые материалы – материалы характеризующиеся наличием нанопор;

- Наноаэрогели, содержат прослойки наноразмерной толщины, разделяющие поры.

- Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой.

К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпозиты и нанопористые материалы, а также:

Нанопорошки, твердые порошкообразные веществв искусственного происхождения, содержащие нанообъекты, агрегаты или агломераты наообъектов либо их смесь;

Наносуспензии – это взвеси нанопорошков в жидкостях. Наносуспензи с размерами частиц менее 100 нм также называются коллоидными растворами, или золями. Дисперсная фаза наносуспензий помимо твердых наночастиц может состоять

из мицелл.;

Наноэмульсии - взвеси в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда являются взаимно нерастворимыми или плохо растворимыми жидкостями, причем дисперсная фаза образована наноразмерными капельками.;

Наноаэрозоли, состоящят из наночастиц или нанокапель, свободно распределенных в объеме газообразной среды

Классификация частиц по размерам и количеству атомов

Дата добавления: 2014-01-20