Виды искусственных наноструктур

Самым простым наноматериалом могут служить фрагменты вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные каким-то другим физическим или химическим способом. Хотя бы в одном измерении они должны иметь протяженность не более 100 нм и проявлять качественно новые свойства (физико-химические, функциональные, эксплуатационные и др.)

Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до органических молекул, содержащих свыше 10⁹ атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что в них уже в значительной степени проявляется дискретная атомно-молекулярная структура вещества и квантовые эффекты.

Наноструктуры обладают сочетанием ряда параметров и физических явлений, несвойственных традиционным состояниям материалов. Уменьшение размера кристаллов может приводить к существенному изменению свойств материалов. Установлено, что эти изменения проявляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, а наиболее эффективны при размере зерен менее 10 нм. При этом частицы могут иметь сферическую (равноразмерную) форму, быть вытянутыми в виде нанопроволоки или нановолокна или представлять собой наночешуйки (пластинки). Главное, чтобы одно из измерений не превышало 100 нм.

На рис.1 показаны сферические наноразмерные структуры кремния. Здесь диаметр 84% частиц - 44 нм, а 16% - 14 нм.

На рис.2 представлены нановолокна политетрафторэтилена (ПТФЭ). Диаметр нановолокон - 40-60 нм при длине несколько микрометров.

Рис. 1. Наноразмерные частицы кремния диаметром 14-50 нм

Рис. 2. Нановолокна ПТФЭ диаметром 40-60 нм

Еще одной формой наночастиц могут быть слоистые наночешуйки толщиной до 100 нм. На рис.3 представлены наночастицы монтмориллонита (глинистого минерала подкласса слоистых силикатов), модифицированного фторуглеродными соединениями со слоистым строением, которые применяются в качестве добавок к жидким полимерным системам, например, для создания препаратов автохимии.

Рис. 3. Наноразмерные слоистые частицы монтмориллонита, модифицированного фторуглеродными соединениями

Одним из главных химических элементов, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы. До недавнего времени было известно, что углерод образует четыре аллотропных формы - алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдеилит (впервые найден в метеоритах, затем получен искусственно). При этом уже на этапе перехода углерода от обыкновенного угля до графита отмечаются значительные изменения свойств материала.

В 1985 году Р. Керл, Г. Крото и Р. Смоли совершенно неожиданно открыли принципиально новое углеродное соединение - фуллерен (многоатомные молекулы углерода С_n), уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. Фуллерен имеет каркасную структуру, очень напоминающую футбольный мяч, состоящий из "заплаток" пяти- и шестиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен С₆₀ (молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией, несвойственной неорганическим соединениям в природе, поэтому признано, что молекула фуллерена является органической молекулой).

В молекуле С₆₀, которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три - с пятиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле С₆₀ находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки - 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀ - 0,357 нм. Структура молекулы фуллерена интересна тем, что внутри такого углеродного "мячика" образуется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ, что дает, например, возможность их безопасной транспортировки. По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены их молекулы, содержащие различное число атомов углерода - от 36 до 540.

Рис. 4. Представители фуллеренов: С₆₀, C₇₀, и C₉₀

Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут также образовываться протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием физико-химических свойств. Идеальная углеродная нанотрубка - это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой цилиндр, полученный при сворачивании графеновой плоскости, диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Рис. 5. Структура нанотрубки

Графен как наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Новый материал назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток.

В отличие от фуллеренов нанотрубки могут содержать несколько слоев. Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, показали, что большинство нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев - либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось. Такие многослойные структуры получили названия "луковичные структуры" - онионы.

В настоящее время выяснились совершенно фантастические свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика (небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т). Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не "рвутся", не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются! Они являются прекрасными проводниками электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, они способны испускать электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях.

Углерод - не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.

Благодаря постоянному развитию нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания самых разнообразных форм и разновидностей объектов, которые вследствие указанных выше геометрических характеристик будут отнесены к наноматериалам.