Г. В. Агафонова,Л. М
 Скачать 3.3 Mb.
|
|
0 Г. В. А ГАФОНОВА , Л. М. Г УРЕВИЧ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ [Привлеките внимание читателя с помощью яркой цитаты из документа или используйте это место, 1 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Г. В. А ГАФОНОВА , Л. М. Г УРЕВИЧ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие Волгоград 2019 2 УДК 620.3 (075) Р е ц е н з е н т ы: ООО «Константа-2», ген. директор канд. техн. наук К. Ю.Зерщиков ; гл. специалист, технический руководитель лаборатории материаловедения «ВНИКТИнефтехимоборудование» канд. техн. наук И. А. Тришкина Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Агафонова, Г. В. Наноматериалы и нанотехнологии / Г. В. Агафонова, Л. М. Гуревич ; ВолгГТУ. – Волгоград, 2019. – 96 с. ISBN 978-5-9948-3336-0 Изложены основные этапы истории науки о наноматериалах. Дан обзор основных видов наноматериалов. Подробно рассмотрены основные технологии получения наночастиц и наноматериалов. Описаны основные виды нанообъектов, их структура и свойства. Учебное пособие предназначено для студентов, магистров, обучающихся по направлениям 22.03.01 и 22.04.01 «Материаловедение и технологии мате- риалов», но может быть использовано и студентами, обучающимися по другим специальностям. Ил. 48. Табл. 5. Библиогр. : 14 назв. ISBN 978-5-9948-3336-0 © Волгоградский государственный технический университет, 2019 3 ВВЕДЕНИЕ Исследования и разработки в области нанотехнологий, начавшиеся на рубеже XX–XXI веков, привели к качественному скачку в развитии методов и средств преобразования информации, энергии и вещества. XXI век – начало интенсивного развития нанотехнологий и наноматериалов. Нанотехнологии широко реализуются в развитых странах мира во многих областях человеческой деятельности таких как промышленность, оборона, радиоэлектроника, энергетика, а также IT-сфера, биотехнология и медицина. Создание наноматериалов и нанотехнологий в настоящее время является одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения о чем свидетельствует существенный рост инвестиций, изысканий, количества публикаций, темпов внедрения разработок по данной тематике. Научный и практический интерес к наноматериалам обусловлен возможностью принципиального изменения свойств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние, а также новыми возможностями, которые создает нанотехнология при получении материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера. Цель данного пособия – дать в сжатой форме общее представление о наноматериалах, а также познакомить будущих специалистов в области материаловедения с достижениями и перспективами развития нанотехнологий. Приставка «нано» переводится с греческого («nannos») как «карлик». В латыни «нано» имеет значение «маленький», «крошечный». Нанометровыми принято считать объекты размером от 1 до 100 нм. Такое ограничение условно, так как главное отличие нанообъектов – особые свойства из-за малости размера – может проявляться и при размере нанообъектов выше этого предела. 4 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАНООБЪЕКТАХ 1.1. Хронология развития нанонауки и нанотехнологий 2400 лет назад греческий философ Демокрит впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества. Первым из ученых, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру. В 1928 г. Эдвардом Сингом была предложена схема устройства оптического микроскопа ближнего поля. В 1931 г. немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали прототип электронного микроскопа, потомки которого позволяют исследовать нанообъекты. В 1959 г. американский физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал лекцию о перспективах миниатюризации техники, ставшую знаменитой под названием «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики». Он изложил основные положения нанотехнологий и научно доказал, что, с точки зрения фундаментальных законов физики, нет препятствий к созданию вещей прямо из атомов. Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000 тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что осуществилось уже в 1964 году. В 1974 г. японский физик Норио Танигучи впервые ввел термин «нанотехника» для механизмов размером менее 1 мкм. В 1981 г. немецкий ученый Герберт Глейтер указал на возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать свойствами, отличными от традиционных материалов. Он же и независимо от него отечественный ученый И. Д. Морохов ввели в научную литературу представления о нанокристаллах. Позднее Г. Глейтер ввел в 5 научный обиход также термины нанокристаллические материалы, наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные и т. д. В 1981 г. германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию. В 1985 г. американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр. В 1986 г. создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. В 1986 г. нанотехнология стала известна широкой публике благодаря публикации американским футурологом Эриком Дрекслером книги «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», в которой предсказано активно развитие в скором времени нанотехнологии. В 1989 г. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона (рис. 1), а голландский физик Сеез Деккер в 1998 г. создал нанотранзистор. Рис. 1. Расположение отдельных атомов при создании слова «IBM» Мощным стимулом для развития нанотехнологий стало создание принципиально новых углеродных наноматериалов. В 1970 г. японские ученые Е. Осава и З. Иошида впервые предсказали возможность существования фуллеренов (сферических наносистем из углерода). В 6 1973 г. российскими учеными Д. А. Бочваром и Е. Г. Гальперным были сделаны первые квантово-химические расчеты такой молекулы и доказана ее стабильность. В 1985 г. фуллерены были впервые синтезированы англичанином Г. Крото и американцами Р. Керл и Р. Смолли, за что они удостоились Нобелевской премии по химии 1996 г. В 1990 г. в Германии ученые В. Кретчмер и К. Фостирополус разработали технологию, позволившую получать фуллерены в достаточно больших количествах. Углеродные нанотрубки открыты в 1991 г. японским ученым С. Иджима. За сравнительно короткий период времени наноматериалы получили широкое распространение в самых различных областях человеческой деятельности. В настоящее время отмечается активизация разработок в данной области, сопровождающаяся вложением значительных инвестиций. В 2000 г. администрация США объявила «Национальную нанотехнологическую инициативу», по которой из федерального бюджета США на исследования в области нанотехнологий выделялось $500 млн. В целом, мировые инвестиции в наноиндустрию в 2004 г. составили около $12 млрд. В США, Объединенной Европе, Японии, Китае приняты национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие нанотехнологических исследований и подготовку кадров для них. Для коммерциализации нанотехнологических разработок и создания на их основе реально работающих производств в России в 2007 г. была основана государственная «Российская корпорация нанотехнологий», которая 11 марта 2011 г. реорганизована в ОАО «РОСНАНО» (100 % акций в государственной собственности) и 27.01.2016 переименована в АО «РОСНАНО». Миссия РОСНАНО – построение в России конкурентоспособной нанотехнологической индустрии, основанной как на идеях отечественных ученых, так и на трансфере передовых зарубежных технологий. Однако Россия начала разработки в этой области на 5–6 лет 7 позже США и, к сожалению, отстала по приборному обеспечению и технологиям при высоком уровне фундаментальных исследований. Интерес к наноматериалам и нанотехнологиям обусловлен: – стремлением к миниатюризации изделий; – уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии; – практическим внедрением современных приборов для исследования и контроля наноматериалов; – развитием и внедрением новых технологий, позволяющих получать наноматериалы. Основными направлениями в исследованиях являются: – получение очень легких и очень прочных материалов с характеристиками, значительно превосходящими современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т. д. (защита мягких материалов, антивандальные и необрастающие покрытия, самоочищающиеся поверхностные пленки для текстиля и керамики, антикоррозийная защита для инструментов и машин, термостойкие покрытия для турбин и двигателей, термоизоляция для оборудования и строительных материалов); – создание миниатюрных и высокоэффективных компьютеров и дат- чиков с низким уровнем энергопотребления и существенно более высокой производительностью; – создание новых лекарственных препаратов и методов их введения в организм (проблемы сверхмалых доз и их адресной доставки); – создание высокоэффективных систем преобразования солнечной энергии; – создание высокоэффективных топливных элементов и материалов, позволяющих аккумулировать водород; – получение наноструктурных катализаторов для использования в 8 низкоэнергетических и экологически чистых производствах; – создание новых методов мониторинга окружающей среды и организма человека с использованием наносенсоров; – организация производства энергоэкономичных светоизлучающих диодов; – разработка простых и дешевых методов очистки и обессоливания воды; – создание новых сельскохозяйственных препаратов и удобрений, а также методов генетической модификации растений и животных; – создание миниатюрных космических систем и систем их запуска. Нанотехнологии, широко разрабатываемые в последнее время, предлагают новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий , что должно оказать революционное воздействие на экономику и социальное развитие общества. Нанотехнологии, относящиеся к различным областям науки и техники, несут и серьезные прямые и косвенные опасности, которые могут возникать случайно, по ошибке или в результате намеренных действий. Непрерывное увеличение объемов производства вовсе не безобидных нановолокон и наночастиц может принести: • опасность для здоровья занятого в новых производственных процессах персонала; • проблемы сохранения окружающей среды, связанные с крупномасштабным производством нанокомпозитных материалов, плохо поддающихся вторичной переработке; • перестройку промышленных производств, связанную с появлением новых материалов и изделий; • затоваривание рынка новыми товарами, сопровождающееся потрясениями существующей финансово-промышленной системы; 9 • усиление уровня безработицы, обусловленное появлением лишь небольшого числа рабочих мест, требующих высокой квалификации; • усиление неравенства в доходах и уровне жизни, возникновение своеобразной «нанодискриминации»; • развитие острых противоречий в области прав на интеллектуальную собственность; • опасности генетических манипуляций с растениями, животными и людьми; • опасности, связанные с новыми методами и материалами имплантации; • проблемы, связанные с возможностями ранней диагностики пока неизлечимых болезней; • опасности, связанные с возможностью скрытого сбора сведений и проведения тайных операций; • опасности создания нанооружия, искусственных вирусов и разнообразных агентов биологического или нервно-паралитического типа; • необходимость создания систем контроля и слежения за развитием новых технологий. 1.2. Основные термины и определения Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям находится в стадии становления. Это связано с тем, что процесс развития нанонауки сопровождается слиянием целого ряда различных научных направлений. Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном из трех измерений не превышают 100 нм. Считают, что вещество находится в «наносостоянии», если проявляются свойства, отличные от обычных химических, физических, биологических, функциональных и эксплуатационных свойств макросостояния вещества. Нанометровый масштаб размеров может относиться как к образцу материала в целом, так и к его 10 структурным элементам. Наноматериалы, как и обычные материалы, могут находиться в различных агрегатных состояниях, но наибольшее распространение находят твердотельные наноматериалы. Наиболее характерными особенностями наноматериалов являются: – наличие нетрадиционных видов симметрии структуры и особых видов сопряжения границ раздела фаз; – доминирование роли процессов самоорганизации в структурообразовании над процессами искусственного упорядочения; – высокая активность поверхности наночастиц и их ансамблей; – особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением и высокой скоростью. Основными причинами проявления вышеуказанных особенностей наноматериалов и наносистем является высокая удельная поверхность и связанная с ней высокая энергетическая активность наночастиц; повышенная роль размерных эффектов, которая проявляется как в индивидуальных наночастицах, так и в их ансамблях – из-за значительной площади границ раздела. Наряду с термином наноматериалы, который к настоящему времени получает все более широкое применение, получили распространение также равноправные термины «ультрадисперсные материалы», «ультрадисперсные системы» (в отечественной литературе) и «наноструктурные материалы» (в западных источниках). Наноструктуры – два и более нанокристалла, соединенные между собой силами Ван-дер-Ваальса (при участии электронного газа). Нанообъект – это ансамбль атомов или молекул, который хотя бы в одном измерении имеет размер менее 100 нм. Нанодиапазон – участок пространственной шкалы 1 – 100 нм, в котором реализуются основные взаимодействия в наносистемах.Он 11 ограничивает сверху и снизу геометрические размеры нанообъектовпо одному или нескольким измерениям. Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, обусловленных проявлением наномасштабных эффектов и явлений (например, квантово-размерных, «гигантских» и др.). Наносистемы подразделяются на различные виды в зависимости от характеризующих их признаков. Например, в физике это квантово-механические системы, дискретные значения энергии которых определяются набором квантовых чисел, в химии – системы химических реагентов, в биологии – системы биокомпонентов, образующих органы растений и животных и участвующих в их жизнеобеспечении. В практической деятельности особо важную роль играют функциональные системы, т. е. такие системы материальных объектов, которые используются для решения практических задач и обладают функциональными свойствами, определяющими области их практического применения. Функциональные наносистемы, как и наноматериалы, характеризуются нанометровым масштабом размеров хотя бы в одном из трех измерений. Свойства функциональных наносистем могут проявляться весьма необычно из-за нанометрового масштаба размеров. Нанонаука – это совокупность знаний о закономерностях и механизмах поведения и свойствах вещества в нанометровом масштабе. Нанотехнология – это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемо создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. Так как примерно таковы размеры молекул, нанотехнологию часто называют также молекулярной технологией. Нанотехнологии обеспечивают решение следующих задач: 12 – получение наноматериалов с заданной структурой и свойствами; – применение наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств; – исследование структуры и свойств наноматериалов в процессе их получения и применения. 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. Объекты, все размеры которых меньше 1 нм, относятся к области деятельности классическихразделов химии или физики. Объекты, все размеры которых больше 100 нм, относятся к микро- и макрообъектам и рассматриваются, в лучшем случае, как дисперсные системы, не проявляющие особенности наносостояния. В действительности любой объект и материал необходимо изучать на разных пространственных масштабах, так как совокупность структуры и свойств на всех уровнях определяет их эксплуатационные свойства. Макроуровень (объект в целом) определяет фундаментальные характеристики вещества. Микроуровень (характерный размер – микрометры) определяет структурно-чувствительные свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. |