Общая характеристика наноматериалов

Факультет информационных технолгий

Кафедра кибернетики химико-технологических процессов

РЕФЕРАТ

на тему:

Неорганические наноматериалы. Способы получения, свойства, применение

Работу выполнил

студент группы К-25

очного отделения

Деркач Владислав Сергеевич

Проверил

Налетов Владислав Алексеевич

Москва-2018

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Общая характеристика наноматериалов…………………………………………………………………...4

2 Неорганические наноматериалы………………………………………………6  

 2.1 Вискеры…………………………………….……….……………………...…6

 2.2 Манганиты……………………………………………………………………8                                                    

 2.3 Высокотемпературные сверхпроводники…………....…………………………………………………...11

 2.4 Фотонный кристалл…………….……………………………………….……………………13

 2.4.1 Классификация фотонных кристаллов…………………………………..14

 2.5 Биокерамики……...…………..……………………………………………..17

Список литературы....................................................................................... 20

Введение

Неорганические наноматериалы стали всерьез интересовать уче­ных и производственников лишь с 1990-х годов, хотя некоторые представители этой группы материалов (например, сажа и ее кол­лоидный раствор -тушь, коллоидное золото) были известны в доисторические времена, а многие, в том числе фуллерены, угле­родные и алюмосиликатные нанотрубки, - находились в окру­жающей среде в течение тысячелетий.

Общая характеристика наноматериалов

Уменьшение размеров частиц до субмикронных влияет на очень многие свойства твердых веществ, включая фундаментальные. Так, с уменьшением числа атомов (электронов) снижается энергия Ферми, растет энергия ионизации, меняется энергия связи. Дефор­мация электронной структуры и особенно ее квантование у нано­частиц проявляются в электронных, оптических, акустических и магнитных свойствах. Наноматериалы (в частности, наночастицы) характеризуются высоким отношением поверхности к объему, причем чем меньше размер частиц, тем обычно больше это отно­шение. Так, для частиц правильной сферической формы с радиу­сом R отношение поверхности (s = 4 ) к объему (V = (4/3) ) выражается простым уравнением s/ V = 3/R и растет обратно пропорционально величине R. У дельной поверхности многих нано­частиц составляет сотни квадратных метров на грамм, а у некото­рых активированных углей доходит до 3000 /г. Если принять, что объем кластера или наночастицы Vc из п ато­мов объемом Va выражается формулой Vc = nVa, то число поверх­ностных атомов составит ns= 4п13, а доля этих атомов Fs = 4п-113• Это значит, что у кластеров Na диаметром 1.9 нм 86 % атомов на­ходится на поверхности, а у кластеров Na диаметром 8.6 нм -19 % атомов. В кластерах, содержащих до 12 атомов, все атомы на­ходятся на поверхности. Кластеры с числом атомов N содержат 4  поверхностных атомов. Даже если N = , то на поверх­ности находится

~10% атомов. На свойства наноматериалов большое влияние оказывает поверх­ностная энергия. Ее определяют, как избыточную энергию, кото­рой обладает поверхностная оболочка определенной толщины по сравнению с объемной фазой. Это энергия, которую надо за­тратить для образования внешней поверхности единичной пло­щади. Вместе с тем, встречаются определения поверхностной энергии как остаточной когезионной энергии, приходящейся на дискретный поверхностный атом после разрыва химической связи этого атома. Величина свободной поверхностной энергии частиц неорганических веществ составляет 100-6500 мДж/ , что на 1-2 порядка выше, чем у макромолекулярных частиц поли­меров (20-50 мДж/ ). Это определяет повышенную склонность наночастиц к агрегированию. Практически все типы наноматериалов, за исключением суп­рамолекулярных, являются неравновесными. Это связано с тем, что у наноматериалов доля поверхностей раздела (в поликристал­лах -межзеренные и межфазные границы, тройные стыки), де­фектов кристаллического строения и остаточных напряжений очень велика. Наночастицы размером 1-10 нм содержат большую долю атомов (на ступеньках и ребрах полиэдров) с пониженным коор­динационным числом. Многие свойства материалов зависят от формы наночастиц. Например, собранные в цепочки наночастицы проявляют замет­ные отличия от отдельных наночастиц. Агрегаты из наночастиц также по химическим и механическим свойствам отличаются от отдельных наночастиц, а сами агрегаты проявляют разные свой­ства в зависимости от размера первичных наночастиц. При переходе от микрочастиц к наночастицам у веществ изменяются элек­тронные свойства, что связано с ограничением подвижности сво­бодных электронов. Если в массивном (трехмерном) теле спектр энергетических состояний электронов выражается плавной кри­вой, то при переходе к двумерным частицам - квантовым стен­кам - уровни энергии квантованы, и зависимость носит пилооб­разный характер. Для одномерных материалов - квантовых про­волок - эта зависимость преобразуется в своеобразную зубчатую кривую, а для нуль-мерных материалов - квантовых точек - в ряд отдельных прямых по электронным свойствам квантовые точки напоминают атомы, для которых также харак­терны дискретные значения энергии электронов. В металлических наноструктурах благодаря эффекту коорди­нации число атомов заметно влияет на магнитные свойства. Функ­циональные свойства полупроводниковых материалов менее чув­ствительны к числу составляющих их атомов: квантовые эффекты проявляются в структурах, содержащих -  атомов. Энергетические спектры квантовых точек могут регулироваться в широких пределах путем изменения состава, размера и морфо­логии частиц, а также деформации кристаллической решетки. Эти свойства делают квантовые точки привлекательными для созда­ния новых электронных, магнитных и фотонных устройств, а также многих функциональных материалов. Длина дебройлевской волны электронов определяется как , где те –масса электрона, -энергия Ферми. Для металлов  0.1-1.0 нм, для полупроводников и тугоплавких соединений переходных металлов 10-100 нм. Размер частиц влияет на ширину запрещенной зоны полупроводников Измене­ние электронных свойств при уменьшении размеров частиц обу­словливает такие явления, как кулоновская блокада и суперпара­магнетизм Изменение электронных свойств может выражаться в том, что при размере частиц 1-2 нм происходит пе­реход из металлического состояния в неметаллическое. Отличие свойств в наноразмерных системах проявляется в случае изомет­ричных частиц, одноатомных цепочек, нанотрубок, нанопрово­лок, тонких пленок и поверхностных слоев, наноразмерных по­лостей.