Сущность наноматериалов и нанотехнологий

Лекция 17. Наноматериалы

Керамика

Стекло

Резины

Резина (вулканизат) - продукт вулканизации каучука. По назначению различают резины общего назначения и специальные (маслостойкие, бензостойкие и др.).

Стекло - макроскопически однородное аморфное вещество, полученное при затвердевании сплава окислов. В промышленности используются несколько видов стекол:

· кварцевое стекло состоит практически из чистого кремнезема (99,5 % SiO₂). Оно отличается высокими показателями термической и химической стойкости. Из него изготовляют химически стойкую посуду, чехлы для термопар, изоляторы и т.п.;

· безосколочное стекло (триплекс) - комбинированное стекло, состоящее из двух или нескольких слоев обычного промышленного стекла, склеенных с прозрачным эластичным и упругим промежуточным слоем прозрачного органического полимера. Повышенной безопасностью в работе обладают и закаленные стекла;

· пеностекло получают вспениванием расплавленного стекла при 700...900 °С различными газотворными веществами (мел, уголь, кокс). Оно имеет малую плотность, его используют как звуко- и теплоизоляционный материал. Кроме того, пеностекло используют для изготовления фильтров, от которых требуется высокая химическая стойкость;

· стеклянное волокно получают из расплавленного стекла вытягиванием стекломассы через фильеры или другими способами. Оно отличается высокими прочностными свойствами, стойкостью к агрессивным средам и высокой теплостойкостью. Ткани из стекловолокна используют как арматуру для изготовления стеклотекстолитов, фильтрации нефтепродуктов, различных химических растворов, а также как тепло- и звукоизоляционный материал.

Керамикой называются материалы, полученные спеканием порошков минеральных веществ. Исходными веществами для получения керамики служат глины, полевой шпат, тальк, каолины, окислы бария, титана, циркония, ниобия и других элементов.

Керамика обладает хорошими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, дугостойкостью и водостойкостью.

Керамику используют для облицовки (например, камеры сгорания реактивного двигателя), огнеупоров, сантехнических изделий, труб, режущего инструмента, подшипников, работающих при высоких температурах, фильер для волочения проволоки, тиглей и др.

Их особенность - нанометровый диапазон пространственных размеров. «Сырьем» в данном случае являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен «индивидуальный» подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что, в частности, позволяет создавать из них как «бездефектные» материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами.

Наблюдать атомно-молекулярную структуру поверхности монокристаллов в нанометровом диапазоне позволили новые сканирующие микроскопы. Действие сканирующего туннельного микроскопа основано на туннелировании электронов через вакуумный барьер. Высокая разрешающая способность обусловлена тем, что туннельный ток изменяется на три порядка при изменении ширины барьера на размеры атома. При этом наилучшее пространственное разрешение приборов составляет сотую долю нанометра по нормали к поверхности. Новые микроскопы также оказались пригодными для конструирования наноструктур. С помощью определенных движений острием микроскопа удается создавать атомные структуры. Движения острия микроскопа при создании наноструктур из отдельных атомов напоминают приемы хоккеиста при продвижении шайбы клюшкой. На рисунке представлены этапы создания надписи «IBM» из отдельных атомов ксенона на грани монокристалла никеля.

Фуллерены, как новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом, были открыты в 1985 г. при попытках астрофизиков объяснить спектры межзвездной пыли. Оказалось, что атомы углерода могут образовать высокосимметричную молекулу С60. Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр и напоминает футбольный мяч. В соответствии с теоремой Л. Эйлера, атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Первоначально С60 получали в небольших количествах, а затем, в 1990г., была открыта технология их крупномасштабного производства

Фуллериты. Молекулы С60, в свою очередь, могут образовать кристалл фуллерит с гранецентрированной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными связями. В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов, то при температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается и образуется новый полимерный материал 1С60. Если заполнить также и тетраэдрические полости, то образуется сверхпроводящий материал зС60 с критической температурой 20-40 К. Существуют фуллериты и с другими присадками, дающими материалу уникальные свойства. Например, С60-этилен имеет ферромагнитные свойства. К 1997 г. насчитывалось более 9000 фуллереновых соединений.

Углеродные нанотрубки. Из углерода можно получить молекулы с гигантским числом атомов. Такая молекула, например С=1000000, может представлять собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правильных пятиугольников.

Следует отметить роль числа сторон правильных многоугольников в формировании двухмерных поверхностей, состоящих из атомов углерода, в трехмерном пространстве. Правильные шестиугольники являются ячейкой в плоском графитовом листе, который можно свернуть в трубки. Правильные пятиугольники (семиугольники) являются локальными дефектами в графитовом листе, позволяющими получить его положительную (отрицательную) кривизну. Таким образом, комбинации правильных пяти-, шести- и семиугольников позволяют получать разнообразные формы углеродных поверхностей в трехмерном пространстве. Геометрия этих наноконструкций определяет их уникальные физические и химические свойства. Наряду с однослойными трубками имеется возможность создавать и многослойные трубки. Для производства нанотрубок используются специальные катализаторы.

Дата добавления: 2014-01-05