Неорганические наноматериалы (стр. 1 )

Неорганические наноматериалы

(учебное пособие)

Предисловие 4

Список сокращений и обозначений 6

1.  Введение 7

1.1.  Твердое тело. 7

1.2. Понятие о материалах 7

1.3.  Классификация материалов 9

1.4.  Нанонаука, нанотехнология и наноматериалы 10

1.5.  Построение книги 18

Контрольные вопросы 19

2.  Строение основных материалов 19

2.1.  Монокристаллы 19

2.1.1.  Основные понятия 19

2.1.2.  Реальная структура кристаллов 27

2.1.3.  Влияние размера частиц на их строение 32

2.1.4.  Изоморфизм и твердые растворы 35

2.1.5.  Нестехиометрия 37

2.2.  Поликристаллы 42

2.3.  Аморфные тела, стёкла и ситаллы 46

2.4.  Композиты 53

Контрольные вопросы 56

3.  Форма и морфология материалов 57

3.1.  Порошки и наночастицы 57

3.2  . Покрытия и пленки 77

3.3  . Нитевидные наноматериалы 64

3.4  . Пористые наноматериалы 70

Контрольные вопросы 75

4.  Свойства материалов 75

4.1  . Общая характеристика 75

4.2  . Механические свойства 78

4.3. Термические свойства 86

4.4. Транспортные свойства 92

4.5. Оптические свойства 98

4.6.  Магнитные свойства 103

4.7.  Химические свойства 106

4.8.  Биологические свойства 111

4.9.  Другие свойства 113

Контрольные вопросы 115

5.  Получение наноматериалов 116

5.1. Общий обзор методов 116

5.2.  Физические методы 119

5.2.1.  Нульмерные (изометрические) материалы 119

5.2.2.  Пленки и покрытия 132

5.2.3.  Нитевидные материалы 139

5.2.4.  Пористые материалы 140

5.2.2.  Массивные наноструктурированные материалы 141

5.3.  Химические методы 144

5.3.1.Нульмерные (изометрические) материалы 144

5.3.2. Пленки и покрытия 169

5.3.3.Нитевидные материалы 174

5.3.4.  Пористые материалы 176

5.3.5.  Функциализация наночастиц и пористых материалов 180

5.4.  Биологические методы 184

5.5.  Комбинированные методы 188

5.6.  Матричные методы 196

5.7.  Нанолитография 202

5.8.  Самоорганизация и самосборка 206

Контрольные вопросы 212

6.  Распространенные и перспективные наноматериалы 213

6.1.  Общий обзор 213

6.2.  Углеродные материалы 214

6.2.1.  Общая характеристика 214

6.2.2.  Графен 220

6.2.3.  Терморасширенный графит 223

6.2.4.  Нанотрубки и нановолокна 225

6.2.5.  Фуллерены 232

6.2.6.  Наноалмазы 234

6.2.7.  Пористый углерод 236

6.3.  Простые вещества 237

6.4.  Оксидные наноматериалы 238

6.5.  Карбиды и нитриды 246

6.6.  Халькогениды и пниктиды 247

6.7.  Нанокомпозиты 247

6.8.  Стабилизированные дисперсии наночастиц 248

Контрольные вопросы 252

7. Наноматериалы в энергетике 252

7.1.  Структура энергетики. 252

7.2.  Общие применения наноматериалов 254

7.3.  Генерирование энергии. Атомная энергетика 255

7.4. Генерирование энергии. Топливные элементы 258

7.5.  Генерирование энергии. Альтернативная энергетика 260 7.6. Передача энергии 264

7.7. Накопление и хранение энергии. «Малая» энергетика 264

7.8.  Потребление энергии. Термоэлектрические генераторы 271

7.9.  Новые эффекты и разработки 274

Контрольные вопросы 277

Дополнения и примечания 277

Литература 324

Список сокращений и обозначений

АСМ – атомно-силовой микроскоп

БЭТ – Брунауэра–Эммета–Теллера (метод)

ВВ – взрывчатое вещество

ВЧ – высокочастотный

ИПД – интенсивная пластическая деформация

ИС – интегральная схема

КТР – коэффициент термического расширения

КЧ – координационное число

ЛЭП – линия электропередачи

МУНТ – многослойная углеродная нанотрубка

МЭМС – микроэлектромеханическая система

НА – наноалмаз

НЭМС – наноэлектромеханическая система

ОУНТ – однослойная углеродная нанотрубка

ПАВ – поверхностно-активное вещество

ПЖК – пар–жидкость–кристалл (метод)

ПММА – полиметилметакрилат

ПЭМ – просвечивающий электронный микроскоп

СВС – самораспространяющийся высокотемператрный синтез

СВЧ – сверхвысокочастотный

СТМ – сканирующий туннельный микроскоп

СЭМ – сканирующий (растровый) электронный микроскоп

ТРГ – терморасширенный графит

УНВ – углеродное новолокно

УНТ – углеродная нанотрубка

ХИТ – химический источник тока

Список литературы, рекомендуемой для более углубленного изучения, приведен в конце книги. В тексте ссылки на источники даны по фамилии первого автора и отмечены звездочкой (*).

Глава 1. Введение

1.1.  Твердое тело

Твердое тело – агрегатное состояние вещества, отличающееся устойчивостью внешней формы и характером теплового движения структурных единиц (атомов, ионов, молекул), которые совершают малые колебания около положений равновесия.

Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы (разд. 2.1 и 2.2) термодинамически устойчивы, характеризуются наличием дальнего порядка в расположении атомов, а также определенной симметрией и возможностью проявления анизотропных свойств. Аморфные вещества (разд. 2.3) термодинамически неустойчивы, не имеют дальнего порядка и изотропны.

1.2.  Понятие о материалах

Материя состоит из вещества и поля. Вещество имеет массу покоя и является дискретным, поле не имеет массы и непрерывно. Дискретность твёрдых тел и жидкостей может быть наглядной, дискретность газов заключается в дискретности отдельных атомов (одноатомные газы) или молекул.

Вещества бывают простые и сложные. Сложные делятся на химические соединения и композиты (разд. 2.4).

Среди веществ в технологии выделяют материалы, к которым относят преимущественно твердые вещества в форме, пригодной для применения в трех основных областях: строительстве, создании машин и конструкций, изготовлении приборов.

Признаками материала является наличие функциональных возможностей и эксплуатационных характеристик.

Человечество знает три периода освоения материалов:

– период использования природных материалов без их глубокой переработки;

– период использования природных материалов, подвергнутых обогащению и простой обработке;

– период использования синтетических материалов, зачастую отсутствующих в природе.

Каждому периоду соответствовал некоторый характерный размер первичных частиц, составляющих материалы. У природных продуктов он составлял от нескольких миллиметров (крупный песок, галька) до 10–20 см (кремнёвые изделия). Очищенные и обогащенные природные вещества состояли из частиц до 10–100 мкм (фаянс, тонкий фарфор). Сейчас наступает новый период, связанный с применением наноматериалов, нижняя граница размеров искусственных материалов продвинулась до 1–10 нм (кластеры). Происходит уменьшение масштабов объектов, интересующих инженеров-материаловедов: от макроскопических через мезо - и микроскопические (10-7–10-5 м) к наноскопическим (10-7–10-9 м).

Относительная доля искусственных материалов и их качество по существу определяет уровень развития той или иной страны, всей цивилизации в целом.

В истории человечества можно выделить экономику трех типов:

– аграрную,

– индустриальную,

– наукоемкую (информационную).

Первые два периода освоения материалов были связаны с аграрной экономикой, когда 90% членов общества были заняты в сфере натурального сельского хозяйства. При появлении и развитии экономики индустриального типа большинство работоспособных членов общества оказалось занятым в промышленности и сфере услуг. Во второй половине – третьей четверти XX в. зародилась и стала постепенно развиваться наукоемкая экономика, ставящая основной целью полное удовлетворение потребностей человека и накопление знаний. Наиболее ценным товаром здесь являются знания, человек становится субъектом производства (создания), распространения и применения знаний. Знания, в отличие от природных ресурсов и материальных товаров, не истощаются, их производство не может быть остановлено.

Материаловедение в целом еще не стало наукоемким. Освоение синтетических продуктов остается на очень низком уровне: широко применяются простые вещества, многие соединения двух химических элементов, некоторые соединения трех элементов и сравнительно ничтожное число более сложных по составу веществ. Подсчитано, что если число известных неорганических веществ обозначить площадкой в 1 мм2, то еще не открытые вещества займут площадь поверхности всех материков Земли.

Принято выделять три направления при синтезе материалов:

–  совершенствование методов получения известных материалов,

–  разработка методов получения неизвестных членов известных классов и структурных семейств материалов,

–  создание новых классов материалов.

Третье направление обеспечивает наибольший прогресс в экономике. Наноматериалы в своем большинстве принадлежат к новому классу материалов.

В наибольшей степени третье направление реализуется при создании метаматериалов – нанокомпозитов со структурой и свойствами, не встречающимися в природе.

1.3.  Классификация материалов

По составу материалы подразделяются на три основных класса:

– металлы и сплавы,

– полимеры,

– неорганические материалы.

Особое положение занимают композиционные материалы, которые могут одновременно содержать представителей двух или всех трех упомянутых классов. К ним относятся и гибридные (содержащие органические и неорганические компоненты или композиты с наполнителями различной природы и геометрии) материалы.

Металлы нередко относят к неорганическим материалам, некоторые композиционные материалы являются неорганическими.

По областям применения подавляющую часть материалов подразделяют на три группы:

– строительные,

– конструкционные (cтруктурные),

– функциональные.

Строительные материалы – бетон, стекло, алюминий, некоторые виды керамики (кирпич и др.), полимеры – используют для зданий и сооружений. Конструкционные материалы – черные металлы, сплавы, отдельные виды керамики (огнеупоры и др.), полимеры – применяют в конструкциях машин, механизмов, печей, в санитарно-технических изделиях. В медицине структурными часто называют материалы, предназначенные для протезирования. Функциональные материалы – пьезоэлектрики, диэлектрики, магнетики, сверхпроводники, люминофоры, полупроводники и многие другие – являются материальной основой разнообразных устройств и приборов. Функциональные материалы определяют также как материалы, способные выполнять те или иные функции (отклик) при определенном воздействии на них (сигнал), причем сигнал может иметь физическую, химическую или биологическую природу.