Наноматериалы своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 02.09.2024

Из чего только ни строили люди свои дома на протяжении всей истории человечества. Строили из костей животных, снега, земли, камней, дерева, песка и травы. Возводили жилища даже из обожженных на огне продуктов жизнедеятельности крупного домашнего скота. Научно-технический прогресс не стоит на месте.

Более привычными и достаточно долговечными, проверенными временем, материалами для строительства на многие века стали камень и дерево. Но природа не может бесконечно давать естественные материалы для строительства. Каменоломни когда-нибудь опустеют и поредеют леса от тотальной вырубки на нужды цивилизации. Человечество, наконец, задумалось о создании более совершенных строительных материалах. Наноматериалы - вот о чем пойдет здесь речь .

Что такое наноматериалы?

Во-первых , нужно уточнить, что наноматериалы называются так по причине присутствия в их составе наночастиц, то есть настолько мельчайших частиц, которые невидимы даже многими увеличивающими приборами, не то, что невооруженным глазом. Но их невообразимо маленький размер позволяет им демонстрировать свойства, не свойственные классической физике. Такие свойства материалов для обычного человека больше похожи на волшебство, хотя представляют собой вполне объяснимые факты из области физики.

Почему же такие материалы приобретают всё большую популярность в строительстве? Дело в том, что они показывают высокую износоустойчивость, жароустойчивость, эффективные электрофизические свойства. Всё это ведет к тому, что появились новые возможности для разработки и создания новых, экологически чистых, легких, малозатратных, в перспективе своей, строительных материалов.

К примеру , традиционное покрытие для фасадов зданий, в том числе окна высотных зданий, достаточно трудно очистить от загрязнений. Наноматериалы позволяют создать верхнее покрытие для наружной фасадной отделки, которое будет самоочищаемым. Тогда меньше будет хлопот с очисткой высотных зданий, можно будет оставить это под ответственность обычного обильного дождя.

В настоящее время разрабатываются сверхпрочные и сверхлегкие строительные материалы для возведения зданий , ведь территорию многих крупных городов увеличить очень трудно для развития застройки, а вот построить более высокие здания гораздо реальнее.

Безопасны ли наноматериалы для человека?

Несмотря на то что материалы с наночастицами становятся самыми перспективными в сфере строительства, до сих пор до конца не изучено влияние наночастиц на организм человека. Учение понимают , что с открытием новых свойств частиц, появится и ряд проблем, связанных с воздействием малоизученных материалов на окружающую среду. В этом отношении проводятся глубокие исследования, и небольшой процент изученности наночастиц –это единственное что серьезно тормозит их использование в различных сферах деятельности человека, многое, что изобретено и построено сегодня из этих мельчайших частиц,

Но можно быть уверенными, что в ближайшие пару десятилетий наночастицы окончательно потеснят привычные строительные материалы и то, что сегодня все еще напоминает фантастику, в ближайшее время станет повседневной реальностью.

Если понравилась статья, ставьте палец вверх и подписывайтесь на наш канал.

К настоящему времени разработаны многочисленные методы получения наноматериалов как в виде нанопорошков, так и в виде включений в пористые или монолитные матрицы. При этом в качестве нанофазы могут выступать ферро- и ферримагнетики, металлы, полупроводники, диэлектрики и др.

Согласно Фендлеру[3], важнейшими условиями получения наноматериалов являются:

1. Неравновесность систем. Практически все наносистемы термодинамически неустойчивы, и их получают в условиях, далеких от равновесных, что позволяет добиться спонтанного зародышеобразования и избежать роста и агрегации сформировавшихся наночастиц.

2. Однородность наночастиц. Высокая химическая однородность наноматериала обеспечивается, если в процессе синтеза не происходит разделения компонентов как в пределах одной наночастицы, так и между частицами.

3. Монодисперсность наночастиц. Свойства наночастиц чрезвычайно сильно зависят от их размера, поэтому для получения материалов с хорошими функциональными характеристиками необходимо использовать частицы с достаточно узким распределением по размерам.

В дальнейшем было показано, что эти условия не всегда обязательны для выполнения. Например, растворы поверхностно-активных веществ (мицеллярные структуры, пленки Ленгмюра - Блоджетт, жидкокристаллические фазы) являются термодинамически стабильными, тем не менее они служат основой для формирования разнообразных наноструктур.

Все методы получения наноматериалов можно условно разделить на несколько больших групп. К первой группе относят так называемые высокоэнергетические методы, основанные на быстрой конденсации паров в условиях, исключающих агрегацию и рост образующихся частиц. Основные различия между отдельными методами этой группы состоят в способе испарения и стабилизации образующихся наночастиц. Испарение можно проводить с использованием плазменного возбуждения (plasma-ark), лазерного излучения (laser ablation), вольтовой дуги (carbon ark) или термического воздействия. Конденсацию осуществляют либо в присутствии ПАВ, адсорбция которого на поверхности частиц замедляет рост (vapor trapping); либо на холодной подложке, когда рост частиц ограничен скоростью диффузии; либо в присутствии инертного компонента, что позволяет направленно получать нано композитные материалы с различной микроструктурой [4]. Если компоненты взаимно нерастворимы, то размер наночастиц можно варьировать с помощью термической обработки.

Ко второй группе относятся механохимические методы (ball-milling), позволяющие получать нанокомпозиты при совместном помоле взаимо нерастворимых компонентов в планетарных мельницах или при распаде твердых растворов с образованием новых фаз под действием механических напряжений.

Третья группа методов основана на использовании пространственно-ограниченных систем -- нанореакторов (мицелл, капель, пленок и т.д.) [1]. К их числу относится синтез в обращенных мицеллах, в пленках Лэнгмюра - Блоджетт и в адсорбционных слоях. Ясно, что размер образующихся при этом частиц не может превосходить размер соответствующего нанореактора, поэтому указанные методы позволяют получать монодисперсные системы. К этой группе можно отнести также биомиметический и биологический методы синтеза наночастиц, в которых в качестве нанореакторов выступают биомолекулы (белки, ДНК и др.).

В четвертую группу входят методы, основанные на формировании в растворах ультрамикродисперсных коллоидных частиц при поликонденсации в присутствии поверхностно-активных веществ, предотвращающих агрегацию.

К пятой группе относятся химические методы получения высокопористых и мелкодисперсных структур (металлы Рике, никель Ренея), основанные на удалении одного из компонентов микрогетерогенной системы в результате химической реакции или анодного растворения. К числу этих методов можно отнести также традиционный способ получения нанокомпозитов путем закалки стеклянной или солевой матрицы с растворенным веществом, в результате чего происходит кристаллизация этого вещества в матрице (стекла, модифицированные полупроводниковыми или металлическими наночастицами). При этом введение вещества в матрицу может осуществляться двумя способами: добавлением его в расплав (раствор) с последующей закалкой и непосредственным введением в твердую матрицу с помощью ионной имплантации.

Одним из наиболее распространенных химических методов получения нано материалов является золь-гель-синтез. С его помощью получают гомогенные оксидные системы, химическая модификация которых (восстановление, сульфидирование и т.д.) приводит к формированию наночастиц соответствующего материала в матрице [5]. Следует отметить, что использование золь-гель-метода позволяет получать наноматериалы с улучшенными функциональными свойствами благодаря контролю состава и структуры промежуточных продуктов. Он привлекателен также своей реализуемостью в лабораторных условиях. Однако этот метод имеет и серьезные недостатки. Во-первых, он не обеспечивает монодисперсности частиц. Во-вторых, он не позволяет получать двумерные и одномерные наноструктуры, а также пространственно-упорядоченные структуры, состоящие из наночастиц, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, или из параллельных нанопластин с прослойками инертной матрицы, которые можно синтезировать в нано реакторах. И наконец, в ряде случаев получение требуемого нанокомпозита невозможно из-за химического взаимодействия частиц с гелеобразующим агентом.

Необходимо отметить, что использование свободных наночастиц и наноструктур в качестве материалов сильно затруднено ввиду метастабильности вещества в нанокристаллическом состоянии. Как уже отмечалось выше, это связано с увеличением удельной поверхности частиц по мере уменьшения их линейных размеров до нанометровых, приводящим к возрастанию химической активности соединения и усилению процессов агрегации. Чтобы предотвратить агрегацию наночастиц и защитить их от внешних воздействий (например, от окисления кислородом воздуха), наночастицы заключают в химически инертную матрицу.

Анализ литературных данных показывает, что к настоящему времени разработаны десятки способов матричной изоляции наноструктур, которые можно условно разделить на две группы: получение свободных наночастиц с последующим включением в инертную матрицу и непосредственное формирование наноструктур в объеме матрицы в процессе ее химической модификации.

Первая группа методов отличается простотой в реализации, однако накладывает серьезные ограничения на возможности выбора матрицы. В качестве последней, как правило, используют органические полимерные соединения, не отличающиеся высокой термической устойчивостью и не всегда обладающие необходимыми физическими свойствами (например, высокой оптической прозрачностью). Кроме того, при инкорпорировании не исключены процессы агрегации наночастиц.

Вторая группа методов позволяет не только избежать этих недостатков, но и непосредственно контролировать параметры наночастиц в матрице на стадии их формирования и даже менять эти параметры в процессе эксплуатации материала. Используемые для этих целей матрицы должны содержать структурные пустоты, которые могут быть заполнены соединениями, последующая модификация которых приводит к формированию наночастиц в этих пустотах. Другими словами, эти пустоты должны ограничивать зону протекания реакции с участием внедренных в них соединений, т.е. выступать в роли своеобразных нанореакторов. Очевидно, что, выбирая соединения с различной формой структурных пустот, можно осуществлять синтез наноструктур различной морфологии и анизотропии.

В качестве примера можно привести синтез наноматериалов с использованием пористых оксидных матриц (обычно SiO₂ или Аl₂Оз) [6]. Однако ввиду неупорядоченности пористой структуры таких матриц и достаточно широкого распределения пор по размерам с их помощью практически невозможно получить удовлетворительно сформированные наносистемы. Обычно нанокомпозиты, полученные на основе пористых оксидных матриц, используют в катализе, где требования к монодисперсности частиц и их морфологии не столь высоки. Кроме того, жесткая пористая структура таких матриц не дает возможности менять размеры и морфологию частиц во время синтеза; последние, как правило, жестко зависят от размера и морфологии пор, т.е. при использовании одного типа матрицы можно получить лишь очень ограниченный круг наноструктур.

Иногда для быстрого направленного формирования наночастиц в матрице прибегают к дополнительным физическим воздействиям, таким как ультразвук, микроволновое и лазерное облучение.

Что такое наноматериалы?

Безопасны ли наноматериалы для человека?

Если понравилась статья, ставьте палец вверх и подписывайтесь на наш канал.

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ и технологии их получения. Презентация на заданную тему содержит 30 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Виды пленочных наноматериалов (по структуре) Нанопокрытие – однослойный рыхлый (островковый, неоднородный) пленочный наноматериал толщиной до 100 нм на поверхности какого-либо изделия (подложки). Нанопленка – однослойный сплошной нанофазный материал толщиной до 100 нм на поверхности какого-либо изделия (подложки). Композиционное нанопокрытие – слоистый сплошной пленочный наноматериал на поверхности какого-либо изделия (подложки), в котором чередующиеся нанослои могут быть выполнены из одного и того же материала (химический состав слоев – одинаков), либо – из различных (химический состав слоев – разный).

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Композиционные нанопокрытия (рис. 2) состоят из набора чередующихся однородных нанослоев (одинакового (а) и различного (б) химического состава) и набора поверхностей между ними.

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) Все виды ПНМ обладают свойствами, которые существенно отличаются от свойств объемного материала. Это обусловлено большей энергией поверхностных атомов по сравнению с атомами в объеме твердой фазы; их избыточная энергия вызывает искажение структуры приповерхностного слоя, а значит, и большую разупорядоченность материала нанофазы. Физико-химические свойства ПНМ (а значит, и применение ПНМ) определяются: 1) структурой ПНМ (кристаллическая или аморфная, когерентная или некогерентная границы раздела между подложкой и пленкой и между чередующимися слоями нанофаз, толщина и дефектность слоя нанофазы); 2) составом ПНМ (выбором материала и размером частиц нанофазы); 3) технологией нанесения ПНМ и подготовки подложки (влияющей на характеристики границы раздела).

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) 1. Влияние структуры на свойства ПНМ Монокристаллические (широко применяемые в технологии микроэлектроники) и поликристаллические ПНМ обладают повышенной пластичностью и твердостью, но пониженной температурой плавления. Аморфные ПНМ (например, плёночное стекло) обладают повышенной гибкостью, прозрачностью и термостойкостью. Композиционные (слоистые) ПНМ могут обладать: сверхтвердостью, повышенной трещиностойкостью и другими особыми и уникальными свойствами.

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) 2. Влияние соответствия параметров решеток подложки и наносимого нанослоя на свойства ПНМ В случае когерентной границы раздела фаз всегда образуются сплошные эпитаксиальные нанопленки с искаженной структурой и хорошими изолирующими свойствами (даже при малой толщине). При большом (~ 10 %) отличии параметров (межатомных расстояний решеток) в ПНМ появляются (при определенной толщине) собственная неискаженная структура нанофазы с механическими напряжениями, ухудшающими целевые свойства ПНМ. 3. Влияние толщины нанослоя d на свойства ПНМ Уменьшение толщины сплошного нанослоя (d = 10–100 нм) в составе ПНМ обеспечивает улучшение механических свойств (повышается твердость и прочность за счет уменьшения напряжений в нанослое): HV = a + b /? d , ГПа; sв = c + d /? d , МПа, где a, b, c, d – константы, зависящие от природы материала нанослоя.

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) 4. Влияние размера частиц нанофазы на свойства ПНМ Уменьшение размера частиц (до 10–20 нм) простых веществ (Ni, Cu, Si) существенно повышает (в 4–6 раз) твердость нанопленок (табл. 1). Таблица 1 Механические свойства никеля при 25 оС 5. Влияние состава материала нанофазы на свойства ПНМ Замена нано-Ni (10 нм) на нано-BN (14 нм) повышает твердость однослойных нанопленок более чем в 10 раз (для нитрида бора HV составляет 85 ГПа).

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) Разновидностью ПНМ с уникальными свойствами являются сверхрешетки. СВЕРХРЕШЕТКИ (crystal superlattic) – твердые слоистые структуры (получаемые методами эпитаксии), в которых чередующиеся слои отличаются физическими свойствами. Сверхрешетками могут быть: 1) композиционные нанопокрытия с периодическим чередованием нанослоев, которые отличаются физическими свойствами; 2) однослойные нанопленки из монокристаллического материала на поверхности подложки из того же материала; 3) однослойные нанопленки из монокристаллического материала на поверхности подложки из другого материала с небольшим (не более 10 %) рассогласованием межатомных расстояний однотипных решеток (ПСЕВДОМОРФНЫЕ СВЕРХРЕШЕТКИ).

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) СВЕРХРЕШЕТКИ 1. Виды сверхрешеток (по составу межфазной границы) 1.1. Гомоэпитаксиальные (образованы наночастицами одного типа): Ni/Ni, Ag/Ag, Si/Si, GaAs/GaAs, TiO2/TiO2 ; 1.2. Гетероэпитаксиальные (образованы наночастицами разных типов): NiAl/Ni, Si/Al2O3, Ge/Si, ZnS/Si, Si3N4/TiN.

ПЛЕНОЧНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ (ПНМ) 2. Виды сверхрешеток (по свойствам) 2.1. Сверхтвердые (чередующиеся слои отличаются высокой и низкой упругостью, что может обеспечивать повышение HV в 5–100 раз – до HV >40 ГПа): Si3N4/TiN (HV = 50 ГПа); 2.2. Сверхпрочные (чередующиеся слои отличаются высокой и низкой прочностью): NbTi/Ti (sв = 750 + 814/? d , МПа, где d = 10–90 нм); 2.3. Полупроводниковые (чередующиеся слои сильно отличаются электронными свойствами – шириной запрещенной зоны, что обеспечивает качественные потенциальные барьеры в создаваемой структуре и возможность создания гетеропереходов на их основе, используемых, например в полупроводниковых лазерах): Si/Al2O3, Ge/Si, ZnS/Si, PbS/Pd, AlxGa1–xAs/AlAs. 2.4. Оптические (чередующиеся слои сильно отличаются коэффициентом преломления электромагнитных волн) [фотонные кристаллы]. 2.5. Магнитные (чередующиеся слои сильно отличаются магнитными свойствами). 2.6. Термоэлектрические (чередующиеся слои сильно отличаются удельным сопротивлением): TiN/Ti

Технологии получения пленочных наноматериалов Нанесение пленочных наноматериалов относится к матричным методам, поскольку тонкие пленки и нанопокрытия повторяют форму подложки. Осаждение на подложку производят из паров, плазмы или коллоидного раствора. Группа физических методов: термовакуумное напыление, ионно-плазменное напыление, ионно-лучевое напыление, молекулярно-лучевая эпитаксия. Группа химических методов: погружение подложки в коллоидный раствор (или дисперсию) с медленным вытягиванием подложки и высушиванием, ионное наслаивание, послойное осаждение, спинингование (нанесение на вращающуюся подложку), химическое осаждение из газовой фазы, плазмохимическое напыление. Для получения композиционных нанопокрытий и сверхрешеток используют жидкофазные и газофазные технологии эпитаксиального осаждения. Рассмотрим особенности газофазных технологий.

Технологии получения пленочных наноматериалов Простейшая схема вакуумной установки для получения нанопленок методом ТВН приведена на рис. 4.

Читайте также: