Неорганические наноматериалы (стр. 2 )

Функциональные материалы – материалы третьего поколения, к их общим чертам относятся:

– усложненный состав,

– тонкая структура,

– высокая степень чистоты,

– высокая добавленная стоимость,

– сравнительно быстрое обновление,

– постоянно растущий спрос.

Функциональные материалы могут одновременно являться конструкционными (структурными).

О величине добавленной стоимости говорят цены нанопорошков Cu, Ni и Ag: 1200, 6600 и 19000 eвро/кг (2009 г.).

Все большее значение приобретают интеллектуальные материалы, сочетающие в себе функции сенсоров (чувствительных элементов, датчиков) и актюаторов (исполнительных элементов).

Выделяются также метаматериалы – искусственно созданные, не имеющие природных аналогов композиционные материалы, свойства которых определяются структурой и не зависят от свойств компонентов. Появились первые работы по созданию биометаматериалов – веществ, построенных из биомолекул. * относит метаматериалы к функциональным иерархическим материалам.

Усложнение материалов происходит по нескольким направлениям и касается их химического состава, макроструктуры и микрострукты.

1.4.  Нанонаука, нанотехнология и наноматериалы

Нанонаука, как и любая другая наука, есть одновременно совокупность знаний и деятельность по получению новых знаний. Ей, как и другим отраслям науки, присуща самоценность (познание ради познания); рациональность (отрицание мифологии, магии, веры в сверхъестественные силы); систематичность, отсутствие внутренних противоречий (единство).

Признаками науки является наличие своего предмета (объектов) исследования и концепций (теоретических положений), которые со временем могут видоизменяться; своих методов и средств исследования (пополняются новыми); своей терминологии (пополняется).

Иерархия ценностей в естественных науках:

– закон природы;

– явление;

– закономерность;

– правило;

– математическая модель (совокупность уравнений);

– функциональная зависимость (уравнение);

– обобщение (монография, аналитический обзор);

– новый научный факт.

Понятия «нанонаука» и «нанотехнология» различаются, хотя в отечественной литературе они слились в один термин «нанотехнология».1-3

Объектами нанонауки являются мезоскопические системы, занимающие промежуточное положение между атомами и макроскопическими телами. Сюда в первую очередь относятся частицы твердых веществ с большой долей нескомпенсированных связей и пониженными координационными числами атомов. Условно к наноматериалам относят частицы, хотя бы одно измерение которых (диаметр, ширина, толщина) не превышает 100 нм, а также компакты и композиты, содержащие такие частицы.

Условность указанного граничного размера связана с тем, что, как удачно сформулировал *, «разные типы взаимодействия – электрон-электронные, электрон-фононные, фонон-фононные, магнон-магнонные и т. д. – «простираются» на разные расстояния в одном и том же веществе. В связи с этим в конкретном веществе они могут проявляться при разных размерах наночастиц. Понятно, что ни о каком фундаментальном значении размера наночастиц как для одного и того же, так и для разных веществ говорить не приходится». В узком смысле под наночастицами понимают частицы с размером менее 10–20 нм.

Представить место некоторых наночастиц в общей иерархии по размерам позволяет следующая последовательность:

нижняя граница длины волны рентгеновского излучения ~0.001 нм

атомный радиус водорода 0.046 нм

атомный радиус свинца 0.175 нм

радиус молекулы фуллерена С60 0.351 нм

диаметр однослойных углеродных нанотрубок (10,10) 1.356 нм

размер частиц наноалмаза 2–10 нм

шаг спирали ДНК 3.4 нм

диаметр частиц коллоидного золота 5–50 нм

размер первичных частиц сажи (технический углерод) 10–50 нм

диаметр частиц коллоидного кремнезёма 10–100 нм

диаметр вирусов 15–350 нм

размер частиц табачного дыма 300–1000 нм

Особенность мезоскопических объектов – отличие физических свойств от таковых для макроскопических тел, а также возможность изменения (регулирования) этих свойств.

Следует отметить ещё две важные особенности наноматериалов: свойства изолированных индивидуальных наночастиц зависят от состава окружающей их среды и условий взаимодействия со средой; свойства изолированных наночастиц отличаются от свойств агрегатов наночастиц и компактов из наночастиц (поликристаллов, керамик). Свойства индивидуальных наночастиц и наночастиц в композитах по этим причинам также могут отличаться.

Основные концепции нанонауки – наличие размерных эффектов, т. е. функциональной связи электронных, физических, химических и других свойств мезоскопических частиц с их размерами и формой; наличие явлений самосборки; возможность позиционной (механической и др.) сборки материалов и приборов из атомов и молекул; возможность в перспективе создания неорганического аналога жизни. Нанонаука не может во всех случаях опираться ни на классическую механику сплошных сред, ни на положения статистической термодинамики.

Размерный эффект – общее название зависимостей удельных характеристик материала (интенсивных параметров) от размера его частиц. Размерные эффекты сказываются на физических и химических свойствах. Это термодинамические, механические, транспортные, оптические и магнитные свойства, реакционная способность.

Иногда выделяют тривиальные (связаны с повышением вклада поверхностей раздела фаз) и нетривиальные размерные эффекты (проявляются при сопоставимости размеров межфазных поверхностей с дебаевской длиной), а также истинные размерные эффекты (мезоскопическое разделение зарядов, локальные структурные эффекты, статистические и качественные эффекты). Размерные эффекты подразделяют также на собственные (внутренние) и внешние. Собственные размерные эффекты связаны со специфическими изменениями в объемных и поверхностных свойствах частиц и их ансамблей. Внешние размерные эффекты проявляются в размерно-зависимом отклике на внешнее воздействие на частицы (электрическое или магнитное поле, облучение и др.).

Согласно *, под размерным эффектом понимается комплекс явлений, проявляющихся вследствие трёх причин: непосредственного изменения размера частиц; вклада границ раздела в свойства системы; соизмеримости размера частиц с физическими параметрами, имеющими размерность длины.

Являясь интенсивным параметром, размер частиц выступает в известной мере аналогом температуры. Следует иметь в виду, что границы проявления определёного размерного эффекта зависят от того, какое физическое явление рассматривается.

Многие размерные эффекты проявляются как поверхностные эффекты, т. е. те, что возникают при большом отношении поверхности к объему частицы.

Возможность позиционной сборки материалов и структур из отдельных атомов многими учеными оспаривается, хотя уже проведены первые простейшие эксперименты в этом направлении (см. ниже). Создание неорганического аналога жизни пока рассматривается лишь теоретически.

Главные средства исследования нанонауки – электронные микроскопы высокого разрешения, сканирующие зондовые микроскопы (туннельные, атомно-силовые, магнитно-силовые, электросиловые, ближнепольные оптические, химические и др.), а также спектроскопические методы, позволяющие исследовать наночастицы, отдельные молекулы и атомы.

Специфические методы синтеза нанонауки – в первую очередь сборка «снизу вверх», самосборка и самоорганизация наносистем, позиционная сборка под действием механического, электрического, магнитного или оптического воздействия. Подход к получению наночастиц «снизу вверх» впервые предложил американский физик, лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман.

В 1982 г. сотрудниками компании IBM Г. Биннигом и Г. Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп, а в 1986 г. Г. Биннигом – атомно-силовой микроскоп. Появление сканирующих зондовых микроскопов сделало реальной возможность механического манипулирования атомами и молекулами, а также механического разрыва и образования химических связей.

Нанонаука не является новым разделом какой-либо одной фундаментальной науки, хотя тесно связана с физикой, химией, биологией, математикой, материаловедением и требует углубленного знания ряда разделов каждого из этих областей знания. В то же время химическим аспектам, и особенно химии твердого тела, здесь отводится ведущая роль.

Технология в общем смысле – совокупность методов и средств производства. Химическая технология – совокупность методов и средств химической переработки природного сырья, полупродуктов и отходов других производств в предметы потребления и средства производства.

Технология отличается от науки своими целями, методами и средствами. Цель – экономичное производство, а не познание ради познания. К особенностям технологии относится ступенчатость решений: последовательный переход от исследований в пробирках (условно), к лабораторной, пилотной, полупромышленной установке, широкомасштабному производству; ограничение коэффициента масштабирования при переходе от ступени к ступени; комплексность решений: учет экологических, правовых, психологических, социальных, географических, климатических, конъюнктурных факторов, а в ряде случаев и стратегических интересов страны.

Упрощенно различия науки и технологии можно сформулировать так: цели науки – узнать и понять, задача технологии – сделать недорого.

Конечным продуктом творчества разработчиков технологии являются:

– проект,

– исходные данные на проектирование,

– бизнес-план,

– патент, ноу-хау,

– рекомендации.

Первые четыре продукта являются рыночными товарами. Проекты могут преследовать различные цели и выполняются с разной степенью детализации. Полномасштабный проект нового производства, помимо прочего, включает результаты опытно-промышленного производства, проект опытно-промышленного производства – результаты пилотных испытаний оборудования и качества получаемого при этом продукта. Проект пилотных установок обычно основывается на результатах лабораторных исследований.