1.4. Создание искусственно-гетерофазных наноструктур

1.4.1. Для материалов оптотехники

Наиболее интенсивные научно-исследовательские работы в начале текущего века проводятся в области создания искусственно-гетерофазных систем конструкционных материалов на основе разработки методов получения порошков различных материалов с максимальным размеров фракций около 100 - 150 нм [ 2, 11 ]. Перевод материала на наноразмерный уровень раздвигает диапазон его физико-химических возможностей, не изменяя химической природы. Частицы наноразмерного уровня становятся чрезвычайно чувствительными к окружающей среде, поскольку большинство атомов находится на поверхности и их валентные возможности не компенсированы. Наночастицы фуллеренового типа активно влияют на морфологию матрицы, структуру межфазных границ композиционного материала, причём базовыми принципами наноструктурной организации являются квантовость и фрактальность. Основным процессом, определяющим конечную структуру наносистемы является её самосборка или самоорганизация, причём нанообъекты обладают классическими, квантовыми и принципиально новыми свойствами. Многие свойства веществ являются структурно-чувствительными, т.е. связанными не только с характером и величиной межатомного взаимодействия, но и со многими особенностями микро- и макроструктуры. Однако, до сих пор пока нет количественной теории, которая связывала бы свойства вещества с его химическим составом и физической структурой.

В 2000 году США поставили своей целью стать мировым лидером во всех нанотехнологических исследованиях, для чего разработана и принята Национальная Нанотехнологическая Инициатива (ННИ) с выделением на развитие нанотехнологий не менее 500 млн. долларов в год [ 12 ]. Разработано большое число проектов долгосрочных и среднесрочных фундаментальных исследований, среди которых материаловедение занимает одно из ведущих мест. В частности, создание новых материалов очень лёгких и в десятки раз более прочных, чем привычные стали. Обнаружено, что в определённых условиях, например при длительном нагреве атомы углерода переходят в новое фазовое состояние - углеродные нанотрубки, которые легко наблюдаются в электронном микроскопе. Они намного легче и прочнее металлических материалов и, вместе с тем, обладают полупроводниковыми свойствами.

Создание деталей из искусственно-гетерофазных наноструктур предусматривает два технологических подхода - "снизу-вверх" и "сверху-вниз". Подход "сверху-вниз" основан на уменьшении геометрических размеров механической или иной обработкой. Пример, - создание полупроводниковых устройств методом фотолитографии при обработке лазерным лучом. Разрешающая способность, т.е. минимальный размер элементов изготавливаемой схемы, определяется длиной волны лазерного излучения. В настоящее время самые короткие длины такого излучения позволяют осуществлять микросборку с точностью до 100 нм [ 12 ]. Эта технология является сложной и требует дорогого оборудования. Технология "снизу-вверх" позволяет собирать деталь из элементов низшего порядка - атомов, молекул, структурных фрагментов, располагаемых в требуемом порядке. Типичным примером технологии "снизу-вверх" служит поштучная укладка атомов на кристаллической поверхности при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Эта технология сейчас характеризуется низкой производительностью, однако ей принадлежит будущее [ 12 ].

К искусственно-гетерофазным системам относятся углеродные нанотрубки - фуллерены, представляющие собой цилиндры или цилиндрические образования с диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной около 1 мкм (Рис.4). Углеродные нанотрубки образуются из шестигранных структур или колец, состоящих из атомов углерода (открыты в 1991году). Наиболее интенсивно в настоящее время углеродные нанотрубки исследуются для применения наноустройств в полупроводниковых информационных технологиях - запоминающие устройства оптоэлектронной памяти, создание новой техники хранения информации, различные биодатчики; для получения новых материалов. Уменьшение размеров кристаллического зерна конструкционного материала в 10 раз приводит к увеличению прочности материала примерно в три раза [ 12 ], а многослойные нанопокрытия толщиной в несколько нм обладают очень высокой коррозионной стойкостью и твёрдостью.

Создание искусственно-гетерофазных наноструктур имеет особое значение в методах разработки и изготовления совершенно новых конструкционных материалов для авиации и космонавтики. Проводятся работы по созданию композиционных керамических материалов с высокой термостойкостью, способные работать при температурах 1000º – 1600º С. Нанотехнология позволяет надеяться на возможность создания сверхлёгких и сверхпрочных материалов [ 12 ].