Характеристика наноматериалов.

 

В “нано-” различают такие понятия как нанонаука, нанотехнологии и наноинженерия. Нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования (схема на рис. 1).

 

Рисунок 1. Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии

 

Среди важных терминов с децимальной приставкой “нано-” отметим следующие (в алфавитном порядке):

нанокристалл, нанокристаллит, (nanocrystal) – кристалл нанометрового размера;

наноматериал (nanomaterial) – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

нанопечать (nanoimprinting) – литографическая технология создания наноразмерных элементов интегральных микросхем методом печати, различают чернильную нанопечать (inking) и нанопечать тиснением (embossing);

наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям;

наноструктура (nanostructure) – ансамбль связанных атомов, имеющий, по крайней мере, в одном направлении размер от одного до сотен нанометров;

наночастица (nanoparticle) – частица с нанометровыми размерами (обычно от 1 до 100 нм), может содержать от десятка до 106 атомов, связанных вместе;

наноэлектроника (nanoelectronics) – область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты.

Место нанобъектов в окружающем нас мире представлено таблицей:

 

 

Главное отличие материалов от веществ заключается в том, что материалы характеризуются функциональными свойствами, определяющими области их практического применения. Материалы служат для осуществления производственной деятельности либо иной деятельности, например, связанной с решением проблем охраны здоровья или окружаюшей среды. На практике наибольшее распространение находят твердотельные материалы, обычно представляющие собой специально приготовленные образцы, которые обладают определенными конструктивными признаками, а именно: конфигурационными и размерными параметрами.

К наноматериалам относятся такие материалы, которые характеризуются нанометровым масштабом размеров хотя бы в одном из трех измерений. При этом нанометровый масштаб размеров может относиться как к образцу материала в целом, так и к его структурным элементам. Соответственно, в первом случае нанообъектами является непосредственно образцы материалов, во втором – их структурные элементы. Наноматериалы, также как и обычные материалы, могут находиться в различных агрегатных состояниях. На практике ннаибольшее распространение находят твердотельные наноматериалы.

Наиболее характерными особенностями наноматериалов являются:

появление нетрадиционных видов симметрии структуры и особых видов сопряжения границ раздела фаз;

ведущая роль процессов самоорганизации в структурообразовании, доминирующих над процессами искусственного упорядочения;

высокая полевая активность и каталитическая избирательность поверхности наночастиц и их ансамблей;

особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и наличием синергетических признаков.

С понятием «наноматериалы» тесно связано понятие «наносистемы».

Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурные материалы (рис.2). Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

 

Рис.2. Классификация наноматериалов по структурным признакам

 

К наночастицам относятся:

нанокластеры, среди которых различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении атомов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные нанокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями;

нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями – подобно массивным кристаллам (макрокристаллам).

фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде сфероподобного каркаса;

нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;

супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);

мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;

липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений – фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру.