Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
8 Наноматериалы в строительстве и архитектуре Последние двадцать лет во всем мире наблюдается экспоненциальный рост числа литературы в области наноматериалов: ежедневно публикуется около 100 статей и выходит из печати одна-две монографии, проходят симпозиумы, каждая третья научная конференция в мире посвящена нанотехнологиям. Сейчас издается 50 специализированных журналов по наноматериалом. Очень быстро растет коли- чество патентов по нанотехнологиям (рисунок 48). За рубежом в 2004 г. издана первая деся- титомная энциклопедия «Нанонаука и нано- материалы» (Encyclopedia of Nanosience and Nanotechnology). Рисунок 48 – Рост числа патентов по нанотехнологиям В настоящее время нанотехнологии – это самое финансируемое научное направле- ние. По самым различным оценкам объем мирового рынка технологий, основан- ных на применении наноматериалов, к 2015 г. составит триллион долларов США при потребности в специалистах более двух миллионов человек. Облик такого рынка, прогнозируемый по оценкам экспертов в процентном соотношении, пред- ставлен на рисунке 49. Рисунок 49 – Прогноз развития рынка Наноматориалы 33% Катализаторы 9% Транспорт 6% Экология 9% Фармацевтика 16% Наноэлектроника 27% 89 продукции нанотехнологий на 2015 г. В докладах аналитического агенства LUX Research (США), являющегося ве- дущей организацией в области анализа международных нанотехнологических рынков, Россия занимает на мировом рынке нанотехнологий место в зоне «млад- шей лиги» рядом с Бразилией и Индией. Для того чтобы вырваться в зону «доми- нант», где сейчас располагаются США, Япония, Германия и Южная Корея, России необходимо удержать тот темп, с которым мы взялись за освоение и развитие «на- но» (рисунок 50). На важность нанотехнологий «nanote-chnology» впервые обратил внимание в конце пятидесятых годов прошлого века Ричард Фейнман, заявив в своей лек- ции: «Если бы меня спросили, какая область науки может обеспечить нам прорыв в будущее, я бы назвал нанотехнологию». Нанотехнология позволяет управлять процессами получения на атомно- молекулярном уровне новых материалов с размерами частиц нанометрового диа- пазона (1…100 нм). 1 нм = 10 -9 м = 10 -7 см=10 -3 мкм = 10 Å. Рисунок 50 – Мировой рынок нанотехнологий Исторически развитие нанотехно- логий шло по двум направлениям. Пер- вое направление – это «снизу вверх»: получение наноструктур и наноизделий путем сборки или самосборки на атом- ном уровне (химический синтез нано- продуктов, молекулярная атомная сбор- ка и др.). Такое направление наглядно видно на примере развития технологии производства углеродных нанотрубок. Второе направление – это «сверху вниз»: получение наноструктур обработкой вещества с последовательным уменьше- нием размера вещества до нанометровых (резка, травление, размол, полировка и литография). В девяностых годах прошло- го столетия технологические возможности обоих направлений перекрылись, и по- явилась возможность использовать комбинацию различных технологий. Следует отметить, что нанотехнологии использовались еще в древней Гре- ции и Египте при создании различных красителей. Ярким и давно известным под- тверждением эффекта нанотехнологии является получение булата, в котором сталь сочетает высокую твердость, остроту лезвия, вязкость внутренних слоев и высокую упругость. Изобретатель «русского булата» П.П. Аносов (1797-1851 гг.) 90 отмечал, что основные свойства булатной стали напрямую зависят от химического состава, структуры, характера обработки, размера и формы кристаллов. Термин «нанотехнология» впервые употребил японский ученый Норио Та- нигули еще в 1974 г. В научной литературе понятие «нанотехнология» имеет не- сколько толкований. Однако общим для всех случаев является «работа» с наноча- стицами в масштабах до 100 нм. Нанотехнология – совокупность методов и способов синтеза, сборки, струк- туро-и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений. Аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов. Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупо- рядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характери- стическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объек- та новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически- кооперативных «гигантских» эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов. Наноматериалы – вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему ба- зовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами. Особое проявление физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов обеспечивает возникновение у материалов и систем со- вокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов. 8.1 Нанообъекты и область их применения К нанообъектам различной размерности относятся: нульмерные (квантовые точки), одномерные (квантовые проволоки), двухмерные (нанослои и наноплен- ки), трехмерные ансамбли (фуллерены, кукурбитулы, порошки) и нанокристалли- ческие сплавы. Квантовые точки (КТ) – это нульмерный (0D) нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины. В связи с тем, что малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице и из них, как следствие, невозможно сформи- ровать полностью обособленных структур. Поэтому КТ как изолированные нано- структуры являются скорее математической моделью, нежели реальными объек- тами (рисунок 51). Рисунок 51 – Объемное изображение квантовой точки, представляющей собой пирамидку из атомов гер- мания, спонтанно образовавшуюся на кремниевой подложке 91 Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синте- зировали еще в древнем Египте для окрашивания различных стекол (кстати, руби- новые звезды Кремля получены по близкой технологии), хотя более традицион- ными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупровод- никовые частицы GaN и коллоидные растворы нанокристаллов CdSe (рисунок 52). Рисунок 52 – Само- сборка квантовой точки (слева направо), происхо- дящая при реакции ионов кадмия (фиолетовые шари- ки) и селена (зелёные), в присутствии органических молекул (красные с голу- быми хвостиками). Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 46. Оказалось, что длина волны, излучаемая квантовой точкой, пропорциональ- на ее размеру. Чем больше размер квантовой точки, тем меньшую частоту она из- лучает. Если получить по одинаковой технологии квантовые точки разных разме- ров и сделать взвесь, поместив их в разные пробирки, то они будут светиться раз- ным светом при облучении монохроматическим светом одной длины волны (ри- сунок 53). Рисунок 53 – Зависимость цвета, которым светятся квантовые точки, от их размера Одномерные нанообъекты (1D) – это наностержни, нанопроволоки (nanorods, nanowires) и т.д. Здесь один характерный размер объекта, по крайней мере, на порядок превышает два другие. Полимерные нановолокна состоят из хаотично связанных цепочек, звеньями в ко- торых являются макромолекулы. В процессе формирования волокна они не могут все выстроиться одинаковым образом и потому формируют последовательный ряд областей, в которых макромолекулы ориентированы в том или ином направлении. Размер этих областей равен критическому диаметру волокна, при котором суще- ственно меняются его механические свойства. Для нейлоновых волокон такой диаметр, к примеру, равен 500 нм. 92 Процесс электроспининга (electrospin- ning) – вытягивание тончайшего волокна на наноуровне из жидкости под действием электрического поля – известен более 100 лет (запатентован в 1902 г.). Важный шаг от теории к промышленному производству во- локон и пряжи из полимерных прекурсоров был сделан в 1934 г. в Германии. Россий- ские ученые также внесли большой вклад (рисунок 54). Рисунок 54 – Устройство электроспининга. Технология производства нетканых волокнистых материалов, основанная на электростатическом вытягивании волокон из растворов полимеров, была разрабо- тана для нужд атомной промышленности в 40-х гг. прошлого столетия в НИФХИ им. Л.Я. Карпова. С помощью электроспиннинга можно получать нановолокна из самых раз- ных материалов – полимеров, полупроводников, металлов и даже керамики. Более того, используя различные конструкции и модификации аппаратуры, можно фор- мировать ансамбли нановолокон, расширяющие возможности их применения. Вы- тягивание тончайшего волокна на микро- или наноуровне из жидкости происходит под действием электрического поля (рисунок 55). Рисунок 55 – Микрофотографии полученных нановолокон (а,b); нано- волокон после стабилизации на возду- хе (c,d) и после термообработки в ат- мосфере аргона (e-h) Нанотрубки – цилиндры без шва, полученные в результате сворачивания и сшивки отдель- ного атомного слоя кристалличе- ского графита, называемого графеновым листом. К настоящему времени разрабо- тано несколько различных технологий синтеза нанотрубок: электродуговой метод; при испарении мишени пучком электронов; лазерным лучом или нагревом угле- родной фольги; пиролизом бензола в присутствии водорода; электрохимический синтез; высокотемпературный нагрев фуллереновой сажи. Углеродные нанотрубки могут быть не только однослойными или многослой- ными, а также прямыми, зубчатыми, зигзагообразными и спиральными (рисунок 56). 93 Однослойные Многослойные Многослойные Рисунок 56 – Однослойные и многослойные углеродные нанотрубки Однослойные углеродные нанотрубки имеют поперечный диаметр от 1 нм до долей микрона, в длину достигают величин от 10 нм до десятков микрон. Мно- гослойные нанотрубки по диаметру начинаются от 12…15 нм, а внутренний ка- пилляр их имеет диаметр от 1…2 до 5…7 нм. Альтернативой искусственно созданным углеродным нанотрубкам в Нью- йоркской компании NaturalNano, являются натуральные нанотрубки из глины – галлуазита диаметром 40…200 нм и длиной один микрон. Если их заполнять, к примеру, медью и затем добавить нанотрубки в полимер, то можно сделать элек- тропроводную пластмассу. Кроме того, частицы галлуазита, которые состоят из алюминия, кислорода, кремния и водорода, можно добавить в краску, которая бу- дет лучше сопротивляться плесени и обладать бактерицидными свойства- ми. Галлуазит добывается в шахтах, та же NaturalNano закупает его тоннами и говорит о цене от $3,5 до $20 за 0,5 кг (рисунок 57). Рисунок 57 – Нанотрубки галлуазита под электронным микроскопом Углеродные нанотрубки производятся в печах лабораторий и стоят $250 за грамм. Нанотрубки из нитрида бора (НТНБ) являются структурными аналогами угле- родных нанотрубок (УНТ): чередующиеся атомы B и N полностью замещают ато- мы С в графитоподобных структурах при практически идентичном простран- ственном расположении. Несмотря на столь значительное структурное сходство, НТНБ и УНТ имеют множество различий в физико-механических свойствах (ри- сунок 58). Рисунок 58 – Нанотрубка из нитрида бора Согласно РФЭС-исследованиям, данным ВРЭМ, SAED и РФА-СИ, структура пленок карбонитрида крем- ния близка к структуре стандартной фазы α- Si 3 N 4 , в кото- 94 рой без изменения валентности происходит частичное замещение отдельных ато- мов кремния атомами углерода таким образом, что они всегда связаны через азот. Нанокристаллы в пленках карбонитрида бора с высокой концентрацией азота имеют структуру гексагонального нитрида бора h-BN. При аналогичных показателях модуля Юнга нанотрубки из нитрида бора имеют значительно более высокую химическую и термическую стабильность. С использованием сверхпроводящих квантово-интерференционных магне- тометров (SQUID) определены их сверхпарамагнитные свойства. В таблице 15 представлены некоторые физические свойства и функциональ- ные характеристики нанопленок из карбонитридов кремния и бора. Таблица 15 – Функциональные характеристики пленок SiC x N y и BC x N y Мате- риал Микро- твердость Н, ГПа Модуль Юнга Е, ГПа Оптическая ширина за- прещенной зоны Еg, эВ Диэлектри- ческая про- ницаемость Удельное сопротивле- ние ρ, Ом/см Прозрачность в диапазоне 600-2000 нм, % SiC x N y 14-28 100-185 1,5-5,35 3-7,5 10 11 -10 16 85-95 BC x N y 10-40 90-240 1,8-4,0 3,8-6,6 10 13 -10 15 Поскольку слоистая многостенная структура нитрида бора химически го- раздо более стабильна, чем углерод графитовой структуры, предполагалась и лучшая биологическая инерция. Нанотрубки из нитрида бора, с их уникальной одномерной полой наноструктурой и необычными свойствами, могут проявлять себя как важный новый класс мультифункциональных бионаноустройств. На основе нанотрубок-модификаторов, так называемых эпилам , можно по- лучить самоочищающиеся и негорючие лакокрасочные материалы. Такие покры- тия защищают здание от электромагнитного смога, которого тем больше, чем больше город, причем без отрыва от, так сказать, «старых» функций (рисунок 59). Рисунок 59 – Памятник жертвам Холоко- ста в Берлине. Специальное покрытие Группа учёных университета Мичи- гана под руководством профессора Дже- рома Линча (Jerome Lynch) разработала покрытие для мостов, которым можно «покрасить» поверхность, требующую контроля на предмет внутренних, а также внешних, но невидимых глазу дефектов, трещин и ржавчины. Чтобы решить эту проблему, учёные использовали устойчивый к механическому воздействию ком- позит, который представляет собой сети углеродных нанотрубок, расположенные между слоями полимерного материала. Каждый такой слой нанотрубок способен реагировать на изменения различных параметров. Например, один слой нанотру- 95 бок стал чувствителен к изменению кислотности металла (что сигнализирует о начале коррозийного процесса), другой – к изменению напряжений внутри него. Нанопленки – двухмерные нанообъекты (2D-системы), в них один характе- ристический размер находится в диапазоне до 100 нм. У ченые из университета Манчестера при содействии германского института Макса Планка расположили атомы углерода в конфигурации, напоминающей пче- линые соты, оставив им при этом небольшое пространство для колебаний. Новый вид материала получил название “графен” (graphene – слово, близкое к “графиту”, обозначающее двумерную структуру из атомов углерода, расположенную в виде бензольных колец). Эта самая тонкая нанопленка из всех существующих на Земле открывает революционные перспективы в компьютерной технике и медицине (ри- сунок 60). Рисунок 60 – Гра- феновая нанопленка Нанопленка обладает комплексом универсальных свойств – высокой твердостью и оптической прозрачностью, низкой диэлектриче- ской проницаемостью, что позволяет считать ее новым перспективным материа- лом. Инновационный метод микро-сплиттинга Nanolux Клиниг с нанесением гидрофильной нанопленки на стекло обеспечивает основательное его очищение без агрессивных тензидов, растворителей, энзимов и отбеливателей, так как при этом молекулы грязи разбиваются на отдельные атомы, которые потом можно легко смыть (рисунок 61). Фуллерены, астралены, кукурбитулы и нанопорошки – трехмерные нано- объекты (3D-системы), в них три характеристических размера находятся в диапа- зоне до 100 нм. Рисунок 61 – Эффект само- очистки Nanolux Фуллерены, открытые в 1996 г. Смоли, Крото и Керлу, пред- ставляют собой каркасную моле- кулярную разновидность углеро- да, в которой атомы находятся в состоянии 2 sp гибридизации. Наиболее распространенным среди фуллеренов является фуллерен С 60 Это молекула из 60 атомов углерода, образующих замкнутую сферическую поверх- ность, составленную из 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пяти- 96 угольников (гексагоны и пентагоны), так что каждый шестиугольник граничит с тремя пяти- и шестиугольниками; является наиболее устойчивый, так как атомы находятся в одинаковых состояниях. Многослойные фуллерены присутствуют в природных и техногенных угле- родных материалах – например, в саже или шунгите (рисунки 62, 63). Линейные размеры молекул фуллеренов лежат в диапазоне 0,67…1,5 нм, ас- социаты фуллеренов могут иметь поперечные размеры уже в 10…30 нм, однако являются непрочными образованиями. Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ, поэтому могут быть использованы как "нанокирпичики" для конструирования материалов с заданными параметрами. У фулле- ренов есть еще одно свойство, которое позво- ляет создавать лакокрасочные материалы, об- разующие са- моочищающие- ся покрытия. Суть этого свойства – ге- нерация на поверхности фуллеренов под действием ультрафиолетовых лучей, в частности тех, которые входят в солнечный спектр свободных радикалов, способ- ных окислять органические соединения до воды, углекислого газа и, к тому же, уничтожать микроорганизмы. А именно органические соединения, находящиеся, например, в городской пыли, предопределяют прилипание грязи. Впервые такая фотокаталитическая активность была обнаружена на наночастицах (размер 10…15 нм) диоксида титана анатазной модификации, производство которых уже налаже- но в Германии. С использованием таких частиц, которые, будучи сорберами УФ- лучей, прозрачны для видимого света, уже производят не только фасадные краски, но и лаки, которыми для тех же целей окрашивают оконные стекла. Недостатком интумесцентных (вспучивающихся) красок является малая ад- гезионная прочность образующейся негорючей пены с низкой теплопроводностью по отношению к черному металлу. С.С. Мнацаканов с соавторами предложил вво- дить в эти краски фуллерены в количестве до 0,7 %. Это оказывает структуриру- ющее воздействие на формирующийся при горении пенококс и способствует со- хранению адгезии. Фуллереновым адгезивом обновляют старые и защищают новые мраморные скульптуры и изделия. Рисунок 62 – Шунгит Рисунок 63 – Многослойные фуллерены в природных углеродных материалах (шунгит, сажа) 97 Эффект противодействия термо- и фотоокислительной и радиационной де- струкции и высокая гидрофобность позволили применить фуллероиды в составах, резко снижающих водопоглощение и повышающих ресурс гидрофобизирующих покрытий для мрамора и других осадочных пород, применяемых в качестве внеш- него отделочного материала. Эта разработка доведена до уровня федеральной нормативно-технической документации и внедрена при реставрации Исаакиевско- го Собора, Мраморного дворца и других памятников архитектуры в Санкт- Петербурге (рисунок 64). Рисунок 64 – Покрытие Funcosil (нанотрубки, астралены – АСТРОФЛЕКС-АКФ) В строительной индустрии фуллерены используют также для получения но- вого класса полимеров с заданными механическими, оптическими, электрически- ми и магнитными свойствами для записи и хра- нения информации. Международной команде ученых в соста- ве Александра Вировеца из Института неорга- нической химии Сибирского отделения РАН, Юнфей Бай из Института координационной хи- мии Нанкинского университета (Китай) и Ман- фреда Шера из Института неорганической хи- мии в Карлсруэ (Германия) удалось синтезиро- вать практически полностью неорганический аналог фуллерена (рисунок 65). Рисунок 65 – Неорганическое соединение, по- добное фуллерену: сферическая молекулярная структура (атомы Н для простоты опущены) Внутри каждого фосфорного «пентагона» находится углеродное пятичлен- ное кольцо с присоединенными к атомам углерода метильными группами – СН 3 (рисунок 66). 98 Рисунок 66 – Cравнение размеров органического фуллерена С 60 (вверху) и его неорганического аналога (внизу) d=7,1 Å Атомы азота, расположенные на окружности, разде- ляют сферу пополам. Стабильность сфер обеспечивается атомами хлора, а также атомами железа, покрытыми сна- ружи углеродными кольцами с метильными заместителями. На построение неорганической «сердцевины» нового соединения ушло 90 атомов (в классическом фуллерене их 60). d=21,3 Å Неорганический аналог фуллерена приблизительно в три раза больше, чем С 60 . Внутренний диаметр фуллереноподобной молекулы составляет 12,5 Å, а наружный – 21, 3 Å. С точки зрения нанотехнологии такие наноструктуры вызывают огромный интерес, поскольку из гетероатомов можно создавать не только сферы, но и полу- сферы наподобие легких и прочных фуллеровских куполов. Из таких сфер и полу- сфер можно синтезировать макромолекулярные комплексы с многообещающими свойствами. Астралены – синтезированные многослойные полиэдральные фуллероидные нанообъекты с индивидуальными линейными размерами преимущественно в диа- пазоне от 30 до 150 нм, при незначительной асимметрии структуры. Из общего ряда различных атомных кластеров они выделяются своими фи- зическими свойствами. Во-первых, это крайне устойчивые образования, способ- ные выдерживать давление в 100 КБар и температуру более 3500 о С без заметных структурных изменений. Но главным и основным уникальным качеством этих наноразмерных объектов является обобществленная в пределах отдельного кла- стера π-электронная система. Наличие большого количества делокализованных валентных электронов обусловлено смешанной sp² – sp³ гибридизацией связей между отдельными атомами ха- рактерной для ненасыщенной углеродной сетки, обра- зующей поверхность наночастиц фуллероидного типа (рисунок 67). Рисунок 67 – Астрален С использованием астраленов реализованы следующие параметры оптиче- ских ограничителей: спектральный диапазон – 0,3…1,5 мкм, быстродействие – 10 - 9 …10 -8 с, контраст – 10 3 крат, рабочий диапазон плотности энергии – 10…10 -4 Дж/см 2 , пропускание слабого сигнала – более 80 %, цветовой комфорт – положи- тельный. Астралены в силу своей высокой дисперсности, высокой электро- и тепло- проводности, способности к диссипации энергии нашли применение в качестве 99 противоизносной добавки к антифрикционным материалам на основе полимерных матриц. Введение астраленов в цементные композиции способствует направленно- му образованию фибриллярной структуры в них и вызывает увеличение прочно- сти, как на сжатие, так и на изгиб цементного камня. При этом для модифициро- ванных образцов прочность на изгиб достигала 50 % от прочности на сжатие, что может быть объяснено дополнительным увеличением однородности модифициро- ванных образцов (рисунок 68). Рисунок 68 – Цементные композиты, модифицированные астраленами Использование наносиликатов с удельной по- верхностью не менее 180 м 2 /кг, на порядок превышаю- щей удельную поверхность микрокремнезема, и новых диспергаторов- гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатов специального молекулярного дизайна обеспечивает достижение кардинально новых прочностей и структур це- ментного камня, создавая предпосылки дальнейшего развития реактивных порош- ковых композитов с прочностью на сжатие около 800 МПа и прочностью на рас- тяжение при изгибе около 100 МПа. Введение астраленов в боросиликатные стекла позволяет снизить темпера- туру стеклования на 15…20 о С и, тем самым, уменьшить вязкость стекол на один- два порядка. Повысить химическую стойкость к выщелачиванию в два раза, что крайне интересно в технологическом аспекте, так как эти стекла являются базой для производства лабораторных и качественных стекол, при этом микротвердость не меняется. Фуллероидные нанообъекты по значениям удельной поверхностной энергии могут быть продифференцированы в следующем порядке (по мере возрастания): фуллерены, однослойные нанотрубки, многослойные нанотрубки, астралены. Молекулярные строительные блоки: кукурбитурил и кластеры.Кукур- битурил– тривиальное название органического макроциклического соединения состава C 36 H 36 N 24 O 12 , данное ему в 1981 г. В. Фриманом в связи с внешним сход- ством формы молекулы с тыквой (род Cucurbita). Высота ее – 6 Å, максимальный внутренний диаметр – 5,5 Å, атомы кислорода карбонильных групп образуют два одинаковых портала (т.е. вход и выход) с ван-дер-ваальсовым диаметром 4,2 Å (рисунок 69). Кукурбитурил растворим в кислотах и щелочах, устойчив и способен к ко- ординации различных частиц. Это делает его удобным для синтеза разнообразных супрамолекулярных соединений. Даже при очень низкой концентрации он чрез- вычайно легко связывает кальций – в результате молекулы у курбитурила выстра- иваются друг над другом и, чередуясь с катионами кальция, образуют бесконеч- ные полимерные цепи – молекулярные «трубы» (рисунок 70). 100 Рисунок 69 – Строение макро- циклических кавитандов кукурбитурилов Р и Рисунок 70 – Молекулярные «трубы», образованные су- пермолекулами кукурбитурила с катионами кальция Метильная группа координированной к кальцию молекулы метанола располагается внут- ри полости кукурбитурила, что свидетельствует о ее гидрофобности. Такие высокоупорядоченные органо- минеральные гибридные материалы с большими каналами, размеры и форму ко- торых можно контролировать, представляют несомненный интерес для тонкой очистки, разделения и выделения веществ супрамолекулярного катализа, а также оптоэлектроники. Кукурбитурилы являются молекулярными контейнерами и имеют внутрен- ние полости, размеры которых позволяют включать органические молекулы или ионы с образованием более сложных систем. Известно, что подобные системы играют исключительно важную роль в са- мых разнообразных процессах: дыхании и регенерации кислорода растениями, ферметативном катализе, формировании колоссальных залежей природного газа на дне Мирового океана (газовые гидраты). Таким образом, супрамолекулярная химия является мощным инструментом направленного получения новых наноматериалов, имею- щих перспективы широкого применения (рисунок 71). Рисунок 71 – Супермолекула, закрытая с двух сторон «крыш- ками», в полость, которой включена молекула пиридина (крупные шары) Нанокомпозиты. Учеными синтезированы нано- структуры нового типа, названные нанопочками – «NanoBuds». Они представляют собой новые углеродные наноструктуры: одностенные нанотрубки с фуллеренами, расположенными на нанотрубках подобно почкам на вет- ках деревьев (рисунок 72). Рисунок 72 – Варианты ковалентных связей между фуллеренами и нанотрубками 101 Интерес к нанопорошкам (НП) диаметром от 5 до 100 нм вызван тем, что их свойства существенно отличаются от свойств материалов того же химического со- става в массивном состоянии. Например, температура плавления золота составля- ет 1064 о С, но при нахождении того же золота в виде частиц размером 4 нм точка плавления соответствует 427 о С. Позднее получены близкие значения изменения точки плавления, которые соответствуют: d Аи = 20 нм → t sl = 1064, 4 о С; d Аи = 10 нм → t sl = 900 о С; d Аи = 2 нм → t sl = 500 о С. Кроме того, золото в состоянии наноразмерных частиц легко окисляется на воздухе. Для β-СdS (бета-сульфида кадмия ширина запрещенной зоны изменяется от 2,5 до 4,5 эВ, относительное время жизни – от наносекунд до пикосекунд, тем- пература плавления – от 1600 до 400 о С, точка структурных переходов под давле- нием – от 2 до 9 ГПа. Оксиды металлов составляют не менее 80 % всех производимых нанопо- рошков |