Наноструктурні матеріали

НАНО­СТРУКТУ́РНІ МАТЕРІА́ЛИ — мета­стабільні системи, для яких характерний роз­мір елемента структури, що хоча б в одному напрямі не пере­вищує 100 нм. Ін. назва — наноматеріали (див. також Нанотехнології). Більшість аномал. ефектів об­умовлені малими роз­мірами елементів структури, що належать до діапазону 10–50 нм і менше. Нижня границя роз­мірів строго не ви­значена, однак існує певний гранич. роз­мір сукупності атомів або молекул, для якого все ще справедливі термодинам. уявле­н­ня про фази, що обмежені поверх­нею роз­ділу, а властивості є від­ображе­н­ням колектив. реакції цієї сукупності на зовн. вплив. Поня­т­тя елемента структури потребує додатк. поясне­н­ня. В ієрархії структур. рівнів, що характеризують будову фіз.-хім. системи, виділяють такі: атомно-молекуляр. (0,1–1 нм); супрамолекуляр. і кластер. (0,5–5 нм); мікро­скопіч., або зерно-гетерофаз. (5 нм — 100 мкм); макро­скопічний (> 100 мкм). Від­повід­но до цієї класифікації Н. м. можна від­нести до кластер. та зерно-гетерофаз. рівнів. Таким чином, елементами структури вважають кластери, частинки, зерна, фазові включе­н­ня або прошарки, між якими існують пере­важно некогерентні поверх­ні роз­ділу, тобто такі обʼєкти структури, що під­падають під термодинам. ви­значе­н­ня фази. Особливий клас нано­структур. систем складають системи з кластер. структурою, напр., закри­сталізов. аморфні сплави, структури роз­паду речовин у нерівноваж. стані, а також макромолекули, напр., фулерени, нанотрубки, супрамолекулярні кластери та ін. Кластерні наноматеріали є окремим випадком консолідов. наноматеріалів, а молекулярні кластери є елементами структури нанокомпозитів. Осн. елемент структури консолідов. наноматеріалів — зерно. Сукупність зерен може мати ізотропну й анізотропну структуру, зокрема текс­туру. Крім того, роз­поділ зерен за роз­мірами від­ображає технол. особливості отрима­н­ня наноматеріа­лів і багато в чому ви­значає їх термічну стабільність. Своєрід. елементами структури консолідов. наноматеріалів є пори. Коли обʼєм пор дорівнює обʼєму речовини або його пере­вершує, то вживають поня­т­тя нанопористих матеріалів. Ви­значаючи нано­структуру, виділяють 4 категорії обʼєктів від­повід­но до їхньої роз­мірності: нульмірні — нанокластери, наночастинки, квант. точки; одномірні — нанотрубки, нанодроти, волокна; двовимірні — тонкі плівки та багатошар. наноматеріали; тривимірні — нано­структурні полікри­стали. Амер. науковець Г. Ґлейтер за­пропонував класифікацію консолідов. нано­структур. обʼєктів від­повід­но до форми структур. елементів, їх роз­ташува­н­ня в просторі та хім. складу. Першу групу складають ізольовані або слабо повʼязані між собою малі частинки, тонкі волокна або тонкі плівки. Структурні елементи в таких нанорозмір. системах у 3-х, 2-х або одному вимірі від­повід­но. Друга група — це нано­структурні за товщиною поверхн. шари, що не від­окремлені від масив. під­кладки або від­різняються від неї хім. складом і структурою. Ці шари можуть бути й самі нано­структурними, тобто складатися з нанорозмір. зерен. У межах шару структура може бути однорідною, гетерофазною, періодично-шаруватою або градієнтною. Третю групу складають масивні нано­структурні тіла, що можуть бути однофазними (мікрооднорідними) або гетерофазними (мікронеоднорідними), але однорідними макро­скопічно. Такі тіла або матеріали пере­важно бувають нанокри­сталічними, тобто струк­турні елементи, з яких вони складаються, мають кри­сталічну будову та характерні роз­міри, а границі між ними від­повід­ають більше кутовим границям зерен (див. Нанокри­сталічні матеріали). Про­блемами Н. м. за­ймаються фахівці багатьох ін­ститутів НАНУ (зокрема про­блем матеріало­знавства; фізики; металофізики; фізики напів­провід­ників; електрозварюва­н­ня; магнетизму; усі — Київ; фіз.-тех. низьких т-р; монокри­сталів; обидва — Харків; Донец. і Харків. фіз.-тех.) та низки укр. ВНЗів. В Україні виходить зб. наук. пр. «Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології». До 2015 друкували ж. «Нано­структурное материаловедение». Проведено 7 між­нар. конф. «Нанотехнології та наноматеріали» (1-а — 2013, курорт Буковель, Івано-Фр. обл.; 2-а, 3-я та 4-а — 2014–16, Львів. університет; 5-а — 2017, Чернів. університет; 6-а — 2018, Київ. університет; 7-а — 2019, Нац. університет «Львівська політехніка»).

Завантажити статтю