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. Обʼєктив. 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. Обʼємна частка між­кри­сталіч. атомів в наноматеріалах зро­­стає зі зменше­н­ням роз­міру зерна до певної міри, а потім знижується, тоді як обʼємна частка потрій. стиків зерен зро­стає по­стійно. Обʼємні 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. обʼєктів світ. науку знач. мірою привернула лекція амер. вченого Р. Фе­ймана «Thereʼs 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. обʼєктів швидко замінила низка нанотехнологій — створе­н­ня штуч. обʼєктів, 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, зʼ­єд­наним 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. нанообʼєкти, такі як частинки, вуса, волокна тощо. Тоді як твердофазні до­зволяють створювати масивні матеріали, що мають у своїй структурі нанорозмірні компоненти. Це повʼя­зано 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 нанообʼєк­тів з газової фази — це за­звичай випаровува­н­ня чистих елементів і хім. сполук або хім. дисоціація сполук у газовій атмо­сфері. В рідині нанообʼєкти 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 обʼєм. 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 (полумʼяне, плазмове) твердого живильника, методи вибух. руйнува­н­ня електр. провід­ників під дією токів високої щільності. Виготовлені таким способом нано­обʼєкти (порошки) в подальшому можуть бути викори­стані для одержа­н­ня обʼєм. 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 обʼємні 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 вʼязкість 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 обʼєкти у ви­гляді тонких плівок, покрит­тів, дис­крет. частинок, шаруватих структур тощо.

Літ.: G. Palumbo, S. J. Thorpe, K. T. Aust. On the contribution of the triple junction to the structure and properties of nano­crystalline materials // Scripta metallurgica. 1990. Vol. 24; H. W. Kroto, R. M. David. Walton he Fullerenes: New Horizons for the Chemistry. Cambridge, 1993; H. W. Kro­to. C60: Buckminsterfullerene, the celestial sphere that fell to Earth. London, 1993; Андриевский Р. А., Глезер А. М. Раз­мер­ные эф­фекты в нанокри­стал­лических материалах. I. Особен­ности структуры. Термодинамика. Фазовые равновесия. Кинетические явления // Физика метал­лов и метал­ловедение. 1999. Т. 88, № 1; Вони ж. Размерные эф­фекты в нанокри­стал­лических материалах. II. Механические и физические свойства // Там само. 2000. Т. 89, № 1; Валиев Р. З., Александров И. В. Нано­структурные материалы, получен­ные интенсивной пластической деформацией. Москва, 2000; H. Gleiter. Nanostructured mate­rials: basic concepts and microstructure // Acta Materialia. 2000. Vol. 48, № 1; R. E. Smal­ley, R. D. Floyd. Bucky Balls, Fullerenes and the Future. 2001; Лякишев Н. П., Алымов М. И., Добаткин С. В. Объем­ные наноматериалы кон­струкцион­ного на­значения // Метал­лы. 2003. № 3; Гусев А. И. Наноматериалы, нанострук­ту­ры, нанотехнологии. Москва, 2005; Молотилов Б. В. Новые метал­лические ма­териалы и процес­сы // Сталь. 2005. № 1; Хаймович П. А. Нано­структурирование метал­лов пластическим деформированием в условиях низких (криоген­ных) температур и все­сторон­него сжатия // Вісн. Харків. університету. Сер. Фізика. 2006. Вип. 9, № 739; Глезер А. М., Пермякова И. Е. Нанокри­стал­лы, закален­ные из ра­сплава. Москва, 2011; Афтанділянц Є. Г., Зазимко О. В., Лопатько К. Г. Наноматеріало­знавство: Під­руч. Хн., 2015.

В. О. Щерецький

Завантажити статтю