Нанокристалічні матеріали

Визначення і загальна характеристика

НАНОКРИСТАЛІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ  — матеріали, що в своїй структурі мають кристалічні складові, геометричні розміри яких принаймні в одній площині не перевищують десятків нанометрів. За умовно визначеною класифікацією структури розмірами до 100 нм називають нано-, від 100 до 1 мкм — субмікро- (ультрадисперсними), від 1 мкм до 100 мкм — мікро-, від 100 мкм до 1 мм — дрібнокристалічними. Об’єктив. показником переходу матеріалу із субмікро- в нанокристаліч. стан є кардинал. зміни властивостей (фіз.-мех., магніт., оптич., електричних тощо), що спричинено різким збільшенням кількості потрій. стиків зерен кристалів, кількість міжкристаліч. атомів, зосереджених на межах зерен, займає суттєву площу відносно самих кристалітів. Особливо суттєві зміни властивостей матеріалу починають відбуватися при дисперсності ≤ 10 нм. Незвичайні властивості цього класу матеріалів обумовлені як особливостями ок­ремих частинок (кристалітів) і міжкристаліч. зон, так і їх колектив. поведінкою, що залежить від характеру їхньої взаємодії між собою. Ширина міжкристаліч. зони, визначена різними методами для різних Н. м., становить від 0,4 до 1,0 нм. Атомна щільність таких зон на 20–40 % менша, ніж у кристалітів. Об’ємна частка міжкристаліч. атомів в наноматеріалах зро­стає зі зменшенням розміру зерна до певної міри, а потім знижується, тоді як об’ємна частка потрій. стиків зерен зростає постійно. Об’ємні частки міжкристаліч. атомів і внутр.-зеренних (кристалітів) стають рівними при розмірах зерна бл. 5 нм. На зміну характеристик властивостей речовини в нанорозмір. стані також значно впливають внутр. напруги, що виникають внаслідок великого числа близько розташ. границь зерен і потрій. стиків. У деяких випадках зі зменшенням зерна кристаліту змінюються відстані і в самій кристаліч. ґратці. До нанорозмір. об’єктів світ. науку знач. мірою привернула лекція амер. вченого Р. Феймана «There’s Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics» («Внизу повно місця: запрошення у новий світ фізики», 1959), що надихнула науковців на дослідж. і створення на той час т. зв. малорозмірних: порошків, колоїдів каталізаторів, плівок, кла­стерів тощо. 1974 япон. фізик Норіо Танігуті на конф. в Токіо вперше використав термін «нанотехнологія». 1981 амер. науковець Г. Ґлейтер увів у наук. літературу уявлення про нанокристали та згодом запропонував терміни: «наноматеріал», «нанокомпозит», «нанокристаліт» та ін. Отже, встановлений розмір. фактор є характер. необхід. ознакою наноматеріалу, однак недостатньою, до наноматеріалів зараховують речовини, що мають відповід. розмір структур. елементів та проявляють нові властивості або змінюють характеристики певних властивостей залежно від розміру структур. елементів у розмір. рамках «нано». Першу хвилю дослідж. структури та властивостей природ. нанорозмір. об’єктів швидко замінила низка нанотехнологій — створення штуч. об’єктів, речовин і виробів з нанорозмір. складовими. 1985 до вже відомих ало­троп. форм вуглецю — алмаз, графіт і карбід — додано фулерен — багатоатомні молекули вуглецю Сn (праці Нобелів. лауреатів — британ. хіміка Н. Крото, амер. фізико-хіміків Р. Керлі і Р. Смоллі) та створ. перші технології одержання багатошар. або трубчастих фулерен. наноструктур вуглецю (карбону). 2010 рос. фізики А. Гейм та К. Новосьолов отримали Нобелів. премію за новатор. експерименти з дослідж. графену, що є одинич. шаром атомів вуглецю, з’єднаним у шестигранну кристалічну ґратку. Графен прибл. в 200 разів міцніший за сталь, прозорий, може бути провідником або напівпровідником. Створення Н. м. може відбуватися з газової фази, рідини або в твердому стані. Технології створення Н. м. з газової та рідкої фаз зазвичай дозволяють створювати ізольов. нанооб’єкти, такі як частинки, вуса, волокна тощо. Тоді як твердофазні дозволяють створювати масивні матеріали, що мають у своїй структурі нанорозмірні компоненти. Це пов’я­зано з тим, що коефіцієнт дифузії в твердому тілі на декілька порядків менший і дозволяє за допомогою різних методів вчасно купірувати ріст кристалітів і стабілізувати їх розміри на нанорівні. Технології одержання нанооб’єк­тів з газової фази — це зазвичай випаровування чистих елементів і хім. сполук або хім. дисоціація сполук у газовій атмосфері. В рідині нанооб’єкти створюють шляхом фіз. або хім. взаємодій, що спричиняють до утворення колоїд. розчинів нанорозмір. частинок. Також відомі технології одержання нанорозмір. кристаліч. (або квазікристаліч.) сполук шляхом надшвидкого гартування метал. розплавів. До технологій одержання Н. м. у твердому стані належать методи фіз. подрібнення (руйнування) та сепарації, інтенсив. пластич. деформації, розпад пересичених твердих розчинів, кристалізація аморфного. Мех. руйнування та подрібнення об’єм. твердих речовин до нанорозмір. стану виконують у кульових та планетар. млинах із наступ. гідросепарацією мелених фракцій. До методів фіз. руйнування також зараховують газотермічні методи розпилення (полум’яне, плазмове) твердого живильника, методи вибух. руйнування електр. провідників під дією токів високої щільності. Виготовлені таким способом нано­об’єкти (порошки) в подальшому можуть бути використані для одержання об’єм. Н. м. за допомогою технологій пресування та спікання чи використані як ре­агенти для подальших хім. реакцій і формування нанорозмір. хім. сполук. Метод інтенсив. пластич. деформування дозволяє одержувати об’ємні Н. м. шляхом багатостадій. різнонаправленого деформування речовини, внаслідок чого під впливом накопичених внутр. напружень і дефектів у матеріалі формуються структурні нанорозмірні кристалічні складові. Розпад пересичених твердих розчинів — це давно відомий ефект виділення рівноваж. ультрадисперс. фаз із пересиченого твердого розчину під впливом терміч. оброблення, що широко використовують у виробництві дисперсно­зміцнених пром. сплавів. Термічне оброблення аморф. матеріалів — ще один метод, що дозволяє одержувати масивні матеріали з нанокристаліч. будовою. На першому етапі з розплаву шляхом надшвидкого (до 109 °C/сек.) охолодження одержують т. зв. металічне скло з аморф. структурою. Велике переохолодження розплаву значно підвищує в’язкість розплаву до моменту утворення перших зародків кристаліч. фази, таким чином «знерухомлюючи» атоми до повного затвердіння речовини. За певної температури таке метал. скло починає кристалізуватися в твердому стані, необхід. розміру кристалітів досягають унаслідок відповід. режиму кристалізац. терміч. оброблення. Нині Н. м. застосовують у медицині, хімії, електроніці як сенсори, каталізатори, сорбенти, напівпровідники. Переважно використовують нанорозмірні об’єкти у вигляді тонких плівок, покриттів, дискрет. частинок, шаруватих структур тощо.

Завантажити статтю