Неорганические наноматериалы (стр. 62 )

Наногидроэлектрические преобразователи – еще одна вероятная перспектива. При движении воды по каналу нанотрубки на ее концах создается разность потенциалов. Молекулы воды в узком канале деполимеризованы и ориентированы, их дипольные моменты складываются, что и является вероятной причиной появления зарядов.

Учёные из Университета Калифорнии и Лоуренсовской лаборатории в Беркли предложили прямой способ преобразования солнечного тепла в механическую энергию. Облучение нанокомпозита, состоящего из «леса» углеродных нанотрубок и полидиметилсилоксана, сопровождается поглощением света («лес» нанотрубок представляет собой идеальное «чёрное тело») и нагреванием поверхности композита. Если композит поместить в жидкость, нагрев поверхности вызовет уменьшение поверхностного натяжения жидкости. Если же нагревать локально (например, одну лопасть вентилятора), разность значений поверхностного натяжения создаст усилия, которые могут быть достаточными, чтобы деталь пришла в движение (вентилятор станет вращаться).

С помощью атомно-слоевой техники в 2009 г. создан наноконденсатор со множеством слоёв металл–изолятор–металл в порах мембраны из пористого оксида алюминия. Он отличается высокой плотностью энергии и состоит из напылённых слоёв TiN толщиной в 50-100 атомов и изолирующих прослоек из оксида. Пока это прототип, характеристики которого могут в дальнейщем улучшаться. [P. Banerjee et al., Nature Nanotechnol. 2009]

В США разрабатывается материал, состоящий из упорядоченно уложенных углеродных нанотрубок с частицами золота на их поверхности в слое гидрида лития. Радиоактивные вещества в золотой оболочке генерируют поток электронов, которые передаются на электрод.

От наноматериалов можно ожидать еще немало прорывных решений.

Контрольные вопросы и задания по главе 7.

7.1. Какова структура энергетики?

7.2. Общие применения наноматериалов в энергетике.

7.3. Наноматериалы в атомной энергетике.

7.4. Пути применения наноматериалов в топливных элементах.

7.5. Возможности применения наноматериалов в солнечных батареях.

7.6. Применение наноматериалов в литий-ионных аккумуляторах.

7.7. Применение наноматериалов в суперконденсаторах.

7.8. В чем состоят проблемы создания эффективных термоэлектрических генераторов?

Дополнения и примечания

К главе 1.

1-1. В русском языке термин «материал» имеет много значений. Материалами по сложившейся традиции называют вещества, технические продукты и документы, не связанные с классическим научным материаловедением (например, горюче-смазочные материалы, фотоматериалы, исторические материалы, материалы уголовного дела).

1-2. Метаматериалы - структуры из специальным образом сформированных микроскопических элементов - были предсказаны cоветским российским физиком * в 1967 г., однако не были им получены. В середине 1990-х гг. попытки их создания возобновились. Первые вещества с отрицательным показателем преломления были реализованы лишь 33 года спустя после публикации Веселаго американским учёным Д. Смитом из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Метаматериалы могут иметь различную форму и функции. Были созданы пленочные магнитооптические, акустические и акустооптические метаматериалы.

Типичным оптическим метаматериалом являются двумерные и трехмерные фотонные кристаллы (структуры, состоящие из отдельных элементов с различающимся показателем преломления). Такие материалы могут иметь отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления света и быть невидимыми в определенном диапазоне длин волн.

К метаматериалам относятся фононные кристаллы (состоят из отдельных элементов с различающимся модулем упругости и плотностью). Фотонные кристаллы способны управлять световыми потоками – векторными волнами, а фононные кристаллы – управлять упругими акустическими волнами – тензорными волнами, как полупроводниковые кристаллы управляют электронами – скалярными волнами. Фононные кристаллы могут применяться для отражения сейсмических волн, создания акустической защиты и свободных от колебаний полостей. О строении некоторых фотонных кристаллов см. разд. 3.4.

Структура фотонных кристаллов относится к сверхрешеткам (разд. 2.1.1).

1-3. Термин «нановедение» более благозвучен, термин «нанознание» представляется более искусственным, хотя оба термина приемлемы.

1-4. Размерные эффекты подразделяют также на регулярные и специфические. Регулярные обычно наблюдаются у сравнительно крупных наночастиц, специфические – у очень малых. Действие специфических размерных эффектов обусловливает, например, наличие магических чисел кластеров (разд. 3.1). В литературе можно встретить термин кооперативные размерные эффекты, которые проявляют ансамбли наночастиц. Единства в определении и классификации размерных эффектов нет. Более того, не все проявления размерных эффектов находят теоретическое обоснование.

1-5. Первое определение нанотехнологии, прозвучавшее на конференции в Японии (Н. Танигучи, 1974 г.), было узким: «Нанотехнология в основном заключается в процессах разделения, консолидации и деформации материалов атом за атомом и молекула за молекулой». Американский физик в 1981 г. обосновал принцип сборки снизу вверх, выдвинул концепцию ассемблеров – устройств для сборки атом за атомом – и самовоспроизводящихся нанороботов.

1-6. Укладка атомов Хе на охлаждаемой до низких температур подложке в виде аббревиатуры IBM была только первым впечатляющим результатом. В 1999 г. на поверхности Ag(110) из атомов Fe и молекул СО с помощью СТМ была синтезирована молекула Fe(CO)2 (Lee*). В 2000 г. удалось разорвать химическую связь в одиночной молекуле С2Н2, адсорбированной на Cu(001), а затем дегидрогенизировать этинил с образованием диуглерода (СС). (Lauhon*). В 2010 г. измерено различие в скорости реакций спирали ДНК, механически прижимаемой к молекуле энзима разными участками (Tseng*).

1-7. Термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные», «нанокомпозитные» материалы впервые введены в работах начала 1980-х гг. немецкого металлофизика Г. Глейтера и применялись для выделения этих материалов из группы ультрадисперсных порошков. Российский учёный * считает применение термина «нанокристаллические материалы» не всегда оправданным, поскольку наноматериалы являются, в отличие от кристаллов, термодинамически неравновесными. Некоторые специалисты полагают, что большинство современных нанотехнологий связано с новыми наноматериалами.

1-9.  Среди десяти важнейших достижений материаловедения за 50 лет были названы изобретение сканирующих зондовых микроскопов (1986 г.), провозглашение Национальной нанотехнологической инициативы в США (2000 г.), создание литий-ионных аккумуляторов, повторное «открытие» углеродных нанотрубок (1991 г.) и создание метаматериалов. (Wood*)

1-10.  Еще в 1950-х гг. в СССР были синтезированы металлические карбонильные порошки с размером частиц около 100 нм, из которых производили мембраны для газодиффузионного разделения изотопов урана.

К главе 2.

2-1. В сложных структурах КЧ атома одного вида могут отличаться от КЧ атома другого вида. Структура β-W свидетельствует, что различные значения КЧ могут быть и в кристаллах простых веществ.

2-2. Об изменении структуры и свойств соединений при уменьшении доли ионной составляющей связи и увеличении ковалентной составляющей можно проследить, например, по рядам: AlF3 (преимущественно ионное соединение) – AlCl3 – AlBr3 – AlI3 (преимущественно ковалентное соединение), UF3 (ионное соединение) – UF4, Na2UF6 – UF5 – UF6 (ковалентное соединение).

2-3.В соответствии с геометрией ко­ординационного полиэдра (способом укладки атомов или ионов, имеющих вид соприкасающихся шаров) при­нято различать тетраэдрическую, октаэдрическую и кубическую пустоту, условный радиус каждой из которых определяется радиусом образующих полиэдр атомов или ионов. Тетраэдрическая пустота – это пространство между четырьмя атомами радиусом R (rпуст 0.225R). Октаэдрическая пустота – пространство в октаэдре; центральный атом в октаэдре может быть больше, чем у тетраэдра (rпуст 0.414R). Выделяют также пустоту, образующуюся при кубической укладке атомов (rпуст 0.732R).

2-4. К силикатам с цепочечной структурой принадлежат асбест, диопсид, берилл; со слоистой структурой – слюда, тальк, мусковит; с каркасной структурой – нефелин, полевые шпаты. Вещества с каркасной структурой могут иметь структурные полости и применяться как молекулярные сита, катализаторы, селективные сорбенты (цеолиты).

2-5. Одна из кристаллических модификаций дифторида олова (α-SnF2) имеет структуру, построенную из четырехчленных циклов Sn4F8, причем атомы олова имеют два типа окружения: тетраэдрическое и октаэдрическое. Тетраэдр состоит из трех атомов Sn и неподеленной электронной пары, а октаэдр – из пяти атомов Sn и неподеленной электронной пары. Подобная картина свойственна многим комплексным соединениям Sn(II).

2-6. В классической работе французского физика и кристаллографа О. Бравэ (1811–1863) было выделено пять простых геометрических фигур. Пятиугольники, фигуры с числом сто­рон или углов семь и выше, а также «криволинейные» фигуры (круги, эллипсы и др.) не относятся к таким фигурам. Подобная ситуация – и в трехмерном пространстве.

2-7. Например, NaCl кристаллизуется с образованием примитивной кубической решетки, а CsCl – объемоцентрированной кубической решетки (атомы Cs находятся в вершинах куба, атомы Cl – в центре куба).

2–8. При переходе атома в междоузлие может происходить некоторое смещение расположенных рядом с ним атомов в узлах решетки. Если смещается (слегка вытесняется) один соседний атом, говорят о дефекте типа "гантели".