Наноматериалы

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками, обусловленными присутствием наноразмерных частиц. К наноматериалам относят объекты, один из геометрических размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.

Наночастица — изолированный твёрдофазный объект, имеющий отчётливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трёх измерениях составляют от 1 до 1000 нм.

Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники, включающая теоретическое обоснование, практические методы исследования, анализа и синтеза, а также методы производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

История определения наноматериалов

В диапазоне размеров 1 нанометр −100 нанометров (1 нм = 10-9м — 100 нм = 10-7м) возникает новый мир, в котором меняются физические и химические свойства любых вещества, и где сходятся предметы исследования физических, химических и биологических наук. Наномир — это часть пространства, в котором из атомов, путем самоорганизации формируется вещество, живое или неживое. Будущее наномира не только в том, что будет наноэлектроника или нанохимия или нанобиология. Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции (схождения) неорганического, органического и биологического мира и создание невиданных ранее в природе новых веществ и существ.

Немецкий ученый Герберт Гляйтер в 1981 году указал на возможность получения материалов, обладающих интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными наноматериалами, и размеры зерен которых менее 100 нанометров. Гляйтер и, независимо от него, отечественный ученый И. Д. Морохов ввели в научную литературу термины нанокристаллические материалы, наноструктурные материалы, нанофазные материалы, нанокомпозитные материалы и т.д.

Классификация наноматериалов

Типы нанокристаллических материалов по размерности структурных элементов: 0D- (нульмерные) кластеры; 1D- (одномерные) нанотрубки, волокна и прутки; 2D- (двумерные) плёнки и слои; 3D- (трехмерные) поликристаллы.

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Например, у наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных, тепло- и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону её уменьшения.

В настоящее время существует несколько классификаций наноматериалов. Гляйтер предложил классифицировать наноматериалы по трем категориям:

— первая категория, включающая материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу;

— вторая категория, включающая материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала;

— третья категория, включающая массивные материалы с наноструктурой, разделенные на два класса: материалы, атомная структура и/или химический состав которых меняются по объёму материала на атомном уровне и наноматериалы, состоящие из наноразмерных блоков (кристаллитов), которые могут различаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией, химическим составом, и областей между соседними блоками (границы зерен).

Классификация наноматериалов по форме кристаллитов делит такие материалы на слоистые, волокнистые и равноосные, для которых толщина слоя, диаметр волокна или зерна меньше 100 нанометров.

В настоящее время наноматериалы делят по способу получения:

• «сборка из атомов»
• «диспергирование макроскопических материалов».

Согласно 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004), выделяют следующие типы наноматериалов:

• нанопористые структуры
• наночастицы
• нанотрубки, нановолокна и наноленты
• нанодисперсии (коллоиды)
• наноструктурированные поверхности и плёнки
• нанокристаллы и нанокластеры

Наноматериалы делят по назначению на:

• Функциональные (углеродные наноматериалы (фуллерены, углеродные нанотрубки), полупроводниковые гетероструктуры, фотонные кристаллы, пленки поверхностно-активных веществ);
• Конструкционные (металлы, керамика, композиционные материалы (металлополимеры, композиционные алюминиевые материалы), полимеры).

Перспективными технологиями получения конструкционных наноматериалов являются: управляемое создание наноструктуры в объёме материала (осуществляемое прецизионной термической обработкой, интенсивной пластической деформацией, введением наночастиц), получение исходных материалов (дезинтеграторно-активаторная технология измельчения, высокоскоростная закалка из расплава, получение нанопорошков химическим, плазмохимическим, электроискровым и другими методами), направленное создание материала (включающее лазерное послойное создание материала заданного состава, структуры и формы, спекание материала в присутствии электрического поля), инжиниринг поверхности материала (нанесение функционально-градиентных покрытий, поверхностная обработка и упрочнение), соединение материалов (лазерная сварка и гибридные виды сварки, сварка трением), диагностика наноматериалов.

По количеству измерений наномавтериалы делятся на:

• нульмерные/квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы);
• одномерные/квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки);
• двумерные/квазидвумерные (тонкие плёнки, поверхности разделов);
• трехмерные/квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

Основные области применения наноматериалов

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.

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.

Производственные технологии

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление тугоплавких нанопорошков при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Большая удельная поверхность нанопорошков способствует их применению в качестве катализаторов в ряде химических производств.

Износостойкие материалы

Металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Эффект износостойкости и малого коэффициента трения проявляется при использовании полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например, со сфероподобными молекулами С60) и фуллеридов (легированных фуллеренов, например, FexC60), наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью.

В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB2-MoS2 c твердостью 20 ГПа и очень малым коэффициентом трения скольжения. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей, фторопластовые для уменьшения трения.

Электронная техника

Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов) делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы из магнито-мягких сплавов используют для считывания информации с магнитного носителя, где они существенно превосходят по свойствам традиционные материалы. Углеродные нанотрубки, покрытые слоем атомов железа, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа SmxCoy применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения.

Защита материалов

Для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолётов 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.

Медицина и биотехнологии

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях — для изготовления имплантатов, протезов и травматологических аппаратов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантатов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).

Военное дело

Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий самолётов, созданных с применением технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем и электроники противника («графитовая бомба»).