Наноматериалы

Основными характеристиками наноматериалов являются дисперсность (размер наночастиц) и морфология (форма наночастиц), которые зависят от таких параметров как размерность, форма, степень анизотропии, общая удельная поверхность. Морфологию научились прецизионно контролировать только после открытия высокоразрешающей электронной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии, мягкой литографии.

Неорганические наноструктурированные материалы. Материалы в основе которых лежат различные наноразмерные структуры обладают комплексом свойств отличающихся от объемных материалов того же химического состава. Основной причиной изменения свойств является возникновение многочисленных межфазных границ. Пример: если межфазные границы толщиной 1 нм занимают 50% объема материала, размер зерен составляет 6 нм. Для получения материала с новыми свойствами его необходимо наноструктурировать.

Впервые понятие «наноструктурированный материал» ввел в 1981 г. Герберт Гляйтер. Классификация нанокристаллических материалов по Гляйтеру приведена на

По составу наноматериалы делятся на неорганические (керамика, металлы и сплавы) и органические (полимерные и биологические наноструктуры) и органо-неорганические (металл-органические и металл-полимерные).

Вещества, в которых кристаллические зерна разделены аморфными прослойками либо дефектами решетки (дислокациями), называют нанокристаллическими веществами.

По фазовому состоянию они делятся на:

-однофазные (нанокристаллиты, разделенные межкристальными границами, кристаллы с наноразмерными дефектами (порами, островковые пленки);

-двухфазные однокомпонентные системы (аморфно-кристаллические, микродоменные сополимерные структуры).

Большинство наноструктурированных материалов включает два или более компонента и называются нанокомпозитами.

Нанокомпозиты состоят из сплошной твердой матрицы(металлической,.углеродной, полимерной, керамической), наполненной твердыми наночастицами с различными составом, размерами и формой. Нанокомпозиты классифицируются по фазовой структуре как

-двухфазные бикомпонентные системы (например, металл-окисел и полупроводник- окисел );

-многофазные системы (многослойные нанотолщинные пленки; сплавы, полученные холодной сваркой).

Размерности наночастиц дисперсной фазы:

- -мерные: нанокластеры нм

- -мерные: наностержни, нанотрубки

- -мерные: нанопленки, островковые наноструктуры. нм

- -мерные: объемные наноструктуры на поверхности или в объеме матрицы нм.

Существуют наночастицы с фрактальной размерностью. Когда размер - нецелое .

Полимерные наноструктурированные материалы.

 

 

Классификация Третьякова наноматериалов, включая морфологию Вест РАН 2010 №7 т80

	Материал	Способ получения
3D	Объёмные наноструктурированные наноматериалы 1.Металлы и сплавы с ультрамикрозернистой структурой, спиноидальный распад в стеклообразных материалах или твердых растворах, 2. Нанокерамика	Формируемые 1.термическими и механическими воздействиями     2.Спекание компактируемых наночастиц
2D	Наноструктурированные планарные материалы Тонкие и толстые пленки	Нанопечатная литография Самособирающиеся слои
1D	Наноструктурированные материалы Нанотрубки, нановолокна. Наноагрегаты. нанопроволоки	1.Формируемые из пересыщенных пара, раствора, или 2.Электрохимических и плазмохимических процессов
0D	Нанодисперсные материалы Нанокристаллы.квантовые точки     Нанокластеры	1.Механическое измельчение объёмных объектов кристаллизации пересыщенных систем (из пара жидких фаз -(не)водных растворов или расплавов. 2.самосборка или стабилизация разными темплатами
	Нанокомпозиты состоящие из мезопористой матрицы с 1D-каналами или 2D-слоями заполненными нанофазой, или нановискеров, нанотрубок и наночастиц в полимерной, металлической или керамической матрице
	1.Супрамолекулярные материалы для создания наноустройств и наномашин 2.Нанопористые структуры	Формируются из простых молекул имитацией биопроцессов в молекулярных машинах живых организмов. процессы самосборки и самоорганизации

 

Предмет физикохимии нанокластеров включает способы получения нанокластеров и наноструктур, их свойства и применения в виде наноматериалов и технических устройств, и далее их использование в виде нанотехнологии.

При рассмотрении синтеза и свойств нанообъектов применяют два подхода микроскопический и термодинамический.

При микроскопическом подходе возможен переход от единичных атомов и молекул к массивным телам и обратный переход от макрообъектов к нанокластерам и наноструктурам путем дробления или наноструктурирования вещества.

Микроскопический подход позволяет изучить изменение активности атомов на поверхности кластера, рассмотреть элементарные акты химических реакций адсорбции и катализа разделить вклады поверхностных и внутренних атомов.

Использование атомно-молекулярных свойств состоит в применении квантовой химии для расчета атомных и молекулярных орбиталей и определении молекулярных уровней энергии в нанокластерах и определить их тепловые, электронные, оптические и магнитные свойства. Нанокластеры отличаются от атомов и твердых тел наличием поверхности и квантовыми ограничениями коллективных процессов связанных с квазичастицами

Термодинамический подход к синтезу и свойствам нанокластеров позволяет определить закономерности их образования, роста, свойств и их изменений при фазовых переходах. Удается предсказать существование и оценить параметры наноразмерного состояния вещества: свободную энергию Гиббса и Гельмгольца, минимальный размер кластера при нуклеации, поверхностное натяжение поверхности нанокластера и перераспределение поверхностного натяжения для двухфазных наносистем.

Согласно базе данных SCI по наноматериалам общее число публикаций 1991-2001гг: наночастицы 21 тыс, квантовые точки 13 тыс, фуллерены16,6 тыс, нанотрубки 17,7тыс., дендримеры4,3 тыс (терехов.Вестник РАН).