Масштабные уровни структурной организации вещества

Масштабные уровни структурной организации вещества

В материаловедении структура материала характеризуется его макроструктурой (зеренной, фазовой и т.д.), микроструктурой (аморфной, кристаллической, зернограничной и т.п.) и субзеренной (атомно-молекулярной, дефектной и др.) [1-7]. Для обычных материалов эти типы структур не зависимы, характеризуются и изучаются отдельно друг от друга. Иногда выделяют еще и так называемую тонкую (реальную) структуру, характеризующуюся поверхностными и объемными несовершенствами, остаточными микроискажениями и дефектами упаковки.

Будем рассматривать три уровня структурной организации твердых тел: макроструктуру, микроструктуру (мезоструктуру) и наноструктуру вещества.

Макроскопический масштабный уровень характеризуется размерами структурных элементов 10^-3 — 10^-2м (поры, трещины, крупные зерна, домены и т.д.). В макроскопический масштабный уровень включаются материалы с размером зерен или фрагментов структуры намного превышающих микрометровый диапазон (рис. 1.1).

Микроскопический (мезоскопический) уровень. Для мезоструктур (греческое mesos означаетсредний, промежуточный), которыми являются включения, дислокации, двойники, ламели (сросшиеся пластинчатые кристаллиты) и т.д. характеристическими размерами являются величины 10^-6—10^-3м (рис. 1.1). На этом уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами ДНК, РНК, белков, ферментов, субклеточных структур.

В мезоскопический масштабный уровень включаются материалы с размерами зерен D, превышающими нанометровый диапазон, но с размерами зерен значительно меньшими, чем у обычных крупнозернистых (D ~ 100 мкм) материалов. Это микрокристаллические (D ~ 1-10 мкм) зерна. При размере зерен меньше 10 мкм наблюдается проявление структурной сверхпластичности материалов.

Наноскопический уровень (кристаллическая, аморфная, квазикристаллическая атомная и молекулярные структуры, поверхностные структуры, структуры границ зерен и др.) структуры вещества характеризуется размерами 10^-10—10^-7м (рис. 1.1). Внутри этого масштабного уровня и находятся наноматериалы (наноструктурированные) материалы. Для наноматериалов разделение макроскопической, кристаллической, зернограничной структур теряет смысл: состояние наноматериала характеризуется комплексом объемной, граничной, поверхностной структур. С уменьшением размера зерен наноматериала объемная, граничная, поверхностная структуры становятся все в большей степени взаимозависимыми друг от друга. Поэтому достаточно для отнесения материала к наноматериалу, чтобы хотя бы один структурный элемент имел наноразмеры.

Поликристаллические сверхмелкозернистые материалы со средним размером зерен от 1 мкм до 100 нм принято называть субмикрокристаллическими, а со средним размером зерен порядка 10 нанометров (не более 100 нм) — нанокристаллическими. Наноматериалы включают нанокристаллические; размер частиц или строительных блоков предполагается у них меньшим 100 нм.

Рис. 1.1. Классификация веществ по размеру структурных единиц

Понятие о наноматериале также нельзя смешивать с другим широко распространенным понятием о субмикрокристаллическом материале [4]. Свойства субмикрокристалли­ческих материалов, как и наноматериалов, отличаются от свойств крупнокристаллических, крупнозернистых и монокристаллических веществ. Однако отличие свойств связано в основном с повышенной удельной поверхностью, что приво­дит к ускорению различных процессов с их участием, напри­мер химических реакций, но не ведет к уменьшению энергии активации (т.е. к снижению температур начала реакций). В субмикрокристаллических материалах размер частиц, зерен или строительных блоков предполагается меньшим микрометра. Между наноматериалами и субмик­рокристаллическими материалами существует принципиальное различие. Именно наносостояние, а не субмикрокристал­лическое состояние, является промежуточным между моле­кулярным и твердотельным состояниями. Именно на нанометровых расстояниях формируются свойства твердого тела. В этом же заключается и физическая причина того, что значительное изменение свойств наблюдается в нанометровом масштабе.

Для материалов, свойства которых определяются разными масштабными уровнями структур, можно провести более детальную классификацию и выделить “гибридные” классы: наномикроскопические, наномакроскопические и микромакроскопические материалы [6]. Так, например, к наномикроструктурированным материалам могут быть отнесены некоторые типы нанотрубок, имеющие длину 1-2 сантиметра.