Глава 1 особенности структуры и технологии наноразмерных объектов

В различных областях науки и практических технологиях используют объекты, объединенные размерным феноменом: нанокристаллы, нанопористые материалы, наноструктуры, нанокомпозиты и др. Спектр нанообъектов чрезвычайно широк и непрерывно расширяется – новые каталитические и сенсорные системы в химии, машиностроительные материалы с уникальными параметрами служебных характеристик в материаловедении, структуры с нанометровой геометрией для записи информации, преобразователи различных видов энергии, сверхпроводниковые материалы – в физике, новые лекарственные препараты и их носители, имплантанты в медицине и т.п. Обоснованным является предположение, что материаловедение и технология XXI века будут основаны на применении объектов наноразмерного характера.

Развитие нанотехнологий и наноматериалов стимулирует поиск принципиально новых технических решений в электронике, приборостроении, вычислительной технике и других областях промышленности, определяющих современный уровень цивилизации. Одновременно развивается исследовательское оборудование для анализа физико-химических процессов, протекающих на принципиально новом уровне.

Согласно современным представлениям различают нанофазные и нанокомпозиционные материалы [1-5]. Под первыми понимают материалы, у которых размер частиц, кристаллов или фаз не превышает 100 нм [1]. Нанокомпозиционные материалы (нанокомпозиты) представляют собой матрицу, в которой случайным образом распределены наноразмерные частицы (НРЧ) или их кластеры [4]. Нам представляется это определение более точным и соответствующим современным представлениям, принятым в физике и материаловедении.

При движении от единичного атома в нульвалентном состоянии до частицы, со свойствами блочного материала (рис. 1) существует несколько промежуточных образований – кластеры и наночастицы с особыми свойствами, обусловленными их размерами и специфической структурой.

Рисунок 1 – Иерархический ряд «атом-блочный материал» (на примере металлов) [3]

Известно, что размеры (степень их дисперсности) оказывают определяющее влияние на активность частиц и их свойства. В настоящее время частицы по размерам принято классифицировать на три типа: наноразмерные (ультрадисперсные - 1-3050 нм), высокодисперсные (3050 - 100500 нм), частицы микронных размеров (фолликулы - 100500-10000 нм) [1]. В различных литературных источниках применяют также термины «ультрамалые частицы», «нанокристаллы» применительно к образованиям, диаметр которых находится в диапазоне 2-550 нм, а также «коллоидные кристаллы», «субколлоидные частицы», «молекулярные агрегации» и «кристаллические кластеры». Исследования показывают, что НРЧ характеризуются квантово-размерными эффектами, т. к. многие фундаментальные характеристики макрочастиц – удельная теплота, проводимость, температура плавления, параметры характеристик оптических и магнитных свойств, ионизационные потенциалы и т. п. или теряют общепринятый смысл или зависят от величины кластера. Это предполагает возможность протекания физико-химических явлений на границе раздела НРЧ и окружающей среды, отличных от общепринятых и обеспечивающих формирование особых структур с новыми функциональными характеристиками. Разработана достаточно широкая номенклатура НРЧ, которые находят практическое применение при создании нанофазных или нанокомпозиционных материалов. К их числу следует отнести ультрадисперсные углеродсодержащие продукты детонационного синтеза – ультрадисперсные алмазы (УДА) и ультрадисперсная шихта (УДАГ) [1,6,7], фуллерены и фуллереноподобные продукты [8], ультрадисперсные металлы, полученные термолизом прекурсоров [9], химическим восстановлением [10], распылением в вакууме [14], оксиды металлов, образующиеся при термохимическом восстановлении [11], имплантации [12, 13], ультрадисперсные керамики на основе простых, двойных, тройных нитридов и оксинитридов переходных металлов, полученные по технологиям плазмо- и механохимического синтеза [15], природные силикаты типа слюд различного состава [16-18].

Наноразмерные частицы различного строения и технологии получения используют для создания нанофазных и нанокомпозиционных материалов различного функционального назначения. Наибольшее распространение получили нанокомпозиты, в которых НРЧ или их кластеры распределены произвольным или определенным образом в матрице. При этом наночастицы как бы микрокапсулированы в полимерной оболочке. Все большее применение получают композиты, в которых НРЧ локализованы на поверхности или в приповерхностном слое пленок, волокон, дисперсных макрочастиц. Особый интерес представляют нанокомпозиты, полученные золь-гель методами и интеркаляцией полимерных и олигомерных молекул в низкоразмерные частицы, пористые и слоистые наноструктуры типа «хозяин-гость». Перспективными и технологически освоенными методами создания нанофазных и нанокомпозиционных материалов являются методы порошковой технологии, технологии модифицирования матриц НРЧ, ионно-лучевое модифицирование матриц, термолиз прекурсоров в расплавах полимеров, плазмохимические методы, полимеризация и сополимеризация кластерсодержащих мономеров, совместный пиролиз полимеров и металлсодержащих прекурсоров, осаждение полимерных и олигомерных фрагментов на активированные подложки, механо- и криохимическое воздействие твердофазные полуфабрикаты.

Анализ литературных источников, посвященных исследованию различных аспектов физико-химии и технологии низкоразмерных частиц, свидетельствует об отсутствии устоявшихся представлений о роли размерного фактора в проявлении характерных свойств объектов с размерами, не превышающими 100 нм.

В настоящей главе предпринята попытка системного анализа особенностей структуры низкоразмерных объектов, полученных по различным технологиям синтеза на основе представлений физики конденсированного состояния и квантовой физики.