II .1. Синтез наноматериалов по определенным шаблонам.

Лекции 11-13

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОХИМИИ (4.4)

План

I. Введение. Некоторые термины

II. Способы получения наноматериалов.

II.1. Синтез наноматериалов по определенным шаблонам.

II.2. Методы получения нанотрубок

II.3. Методы получения нанопроводников

II.4. Методы получения нано- и субмикропорошков

II.4.1. Физические методы получения нано- и субмикропорошков

II.4.2. Химические методы получения нано- и субмикропорошков

III. Некоторые перспективные применения наноматериалов

IV. Токсикология и безопасность

I . Введение. Некоторые термины.

Сначала дадим определения некоторым терминам.

Нанотехнология — совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

Наноматериалы — материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

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.

К нитевидным наноматериалам относят нанотрубки, нановолокна, наностержни, нитевидные полиэдрические частицы и усы, диаметр или наибольшая диагональ которых не превышает 100 нм.

Наностержни (нанопроволоки, нанопроводники) – простейший вид нитевидных наночастиц. Они могут быть монокристаллическими, поликристаллическими или аморфными. В виде наностержней выделены металлы (Cu, Ag, Au, Pb, In, Sn, Pb, Sb, Bi, W, Fe, Ni, Pt, Pd), неметаллы (B, С, Si, Ge, Se, Te), оксиды (CuO, MgO, ZnO, Al₂O₃, In₂O₃, Ga₂O₃, SiO₂, GeO₂, TiO₂, SnO₂, V₂O₅, Sb₂O₃, Sb₂O₅, MnO₂, Mn₃O₄, WO₃), сложные оксиды и металлаты (BaTiO₃, Pb(Zr, Ti)O₃, Sr₂Nb₂O₇), нитриды (BN, AlN, GaN, InN, Si₃N₄, Si₂N₂O ), карбиды (SiC, TiC), халькогениды (CuS, CuSe, Ag₂Se, ZnS, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, NiS), пниктиды (InP, InAs, GaAs, GaP) и др. (cм. Rao в списке литературы).

Нанотрубки делят на: бесшовные трубки с непрерывной внутренней полостью, волокна с сегментированной внутренней полостью (морфология бамбука), рулоны из свёрнутых атомных сеток и образования с фрагментированной оболочкой из наложенных друг на друга слоёв (морфология папье-маше).

Нанопорошки – это совокупность твердых частиц или агрегатов (агломератов), имеющих размер от 10 нм до 100 нм (это понятие эквивалентно ультрадисперсным порошкам, применяемому в СССР).

В России работы по созданию нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но слабо финансируются и проводились только в рамках отраслевых программ. В настоящее время сформирована программа общефедерального масштаба с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне. Актуальность и важность указанных работ позволили включить научные направления, связанные с нанотехнологиями, в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом Российской Федерации.

К настоящему времени разработано большое число технологий с применением наноматериалов. Так, например,  нанопорошки железа уже применяют для очистки воды от различных галогенуглеводородов, что позволило решить целый пакет экологических проблем.

Одно из главных направлений современных нанотехнологий производство наноструктур и наноматериалов с наперед заданными свойствами. Каждый год технологии производства наноструктур совершенствуются, и создаются все новые и новые технологии их получения.

II . Способы получения наноматериалов.

Образование наноматериалов происходит в результате следующмх процессов- это: кристаллизация, рекристаллизация, фазовые превращения, высокие механические нагрузки, интенсивная пластическая деформация, полная или частичная кристаллизация аморфных структур.

Выбор метода получения наноматериалов определяется областью их применения, желательным набором свойств конечного продукта.

Характеристики получаемого продукта — гранулометрический состав и форма частиц, содержание примесей, величина удельной поверхности зависят от способа получения в весьма широких пределах.

Так, в зависимости от условий получения, нанопорошки могут иметь сферическую, гексагональную, хлопьевидную, игольчатую формы, аморфную или мелкокристаллическую структуру.

II .1. Синтез наноматериалов по определенным шаблонам.

В настоящее время разработаны технологии производства наноструктур по определенным шаблонам, с применением нанокерамических подложек, что позволяет легко изготавливать металлические, полупроводниковые, полимерные, углеродные наносистемы. Исследователи из Политехнического института Ренсслеера создали керамические шаблоны, на которых удалось вырастить ветвящиеся нанотрубки с ранее заданной конфигурацией ответвлений. При этом нанотрубки могут ветвиться иерархически, создавая несколько разветвляющихся пучков. В качестве основы для шаблона исследователи использовали подложку из анодированного оксида алюминия. Углеродные наноструктуры ученые синтезировали непосредственно в углублениях подложек, проводя реакцию пиролиза ацетилена. Затем удаляли слой оксида алюминия путем травления, открыв полученные углеродные нанотрубки различной формы. В другом эксперименте Менг и коллеги вырастили внутри подложки-матрицы нанопроводники из никеля. Таким образом, ученым удалось вырастить не только нанотрубки, но и металлические нанопроводники.