 |
Ограничения в использовании наноматериалов
|
|
|
|
Важным ограничением для использования наноструктурных конструкционных материалов является их склонность к коррозии из-за очень большой объемной доли границ зерен. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия атомов с поверхности и по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен и т.д.).
Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а, следовательно, нестабильность их свойств. Так при термических, радиационных, деформационных и т.п. воздействиях неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления распада, фазовых превращений, спекания и заплывания нанопор и нанокапилляров, аморфизации или кристаллизации. Например, углеродные нановолокона, предназначенные для фильтрации жидкости, могут повреждаться под действием вибраций и возбуждаемой потоком жидкости структурной неустойчивости углерода. При формовании изделий из нанопорошков достаточно остро встает также проблема слипания наночастиц, что может осложнить получение материалов с заданной структурой и распределением компонентов.
Следует отметить, что в настоящее время наиболее широко выпускаются такие наноматериалы, как нанопорошки металлов и сплавов, нанопорошки оксидов (кремния, железа, сурьмы, алюминия, титана), нанопорошки ряда карбидов, углеродные нановолокна, фуллереновые материалы.
фотонные кристаллы, поведение света в которых сравнимо с поведением электронов в полупроводниках. На их основе возможно создание приборов с быстродействием более высоким, чем у полупроводниковых аналогов;
|
|
|
o разупорядоченные нанокристаллические среды для лазерной генерации и получения лазерных дисплеев с более высокой яркостью (на 2-3 порядка выше, чем на обычных светодиодах) и большим углом обзора;
o функциональную керамику на основе литиевых соединений для твердотельных топливных элементов, перезаряжаемых твердотельных источников тока, сенсоров газовых и жидких сред для работы в жестких технологических условиях;
o квазикристаллические наноматериалы, обладающие уникальным сочетанием повышенной прочности, низкого коэффициента трения и термостабильности, что делает их перспективными для использования в машиностроении, альтернативной и водородной энергетике;
К конструкционные наноструктурные твердые и прочные сплавы для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, а также наноструктурные защитные термо- и коррозионностойкие покрытия;
o полимерные композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью;
o биосовместимые наноматериалы для создания искусственной кожи, принципиально новых типов перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью;
o наноразмерные порошки с повышенной поверхностной энергией, в том числе магнитные, для дисперсионного упрочнения сплавов, создания элементов памяти аудио- и видеосистем, добавок к удобрениям, кормам, магнитным жидкостям и краскам;
органические наноматериалы, обладающие многими свойствами, недоступными неорганическим веществам. Органическая нанотехнология на базе самоорганизации позволяет создавать слоистые органические наноструктуры, являющиеся основой органической наноэлектроники и конструировать модели биомембран клеток живых организмов для фундаментальных исследований процессов их функционирования (молекулярная архитектура);
|
|
|
o полимерные нанокомпозитные и пленочные материалы для нелинейных оптических и магнитных систем, газовых сенсоров, биосенсоров, мультислойных композитных мембран;
o покровные полимеры для защитных пассивирующих, антифрикционных, селективных, просветляющих покрытий;
o полимерные наноструктуры для гибких экранов;
o двумерные сегнетоэлектрические пленки для энергонезависимых запоминающих устройств;
o жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и эргономичных типов дисплеев, новых типов жидкокристаллических дисплеев (электронная бумага).
Причины широкого интереса к нанотехнологиям и наноматериалам
- нанотехнологии позволяют получить принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д.
- нанотехнология оказалась весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники, экономики, социологии и др.
- решение проблем нанотехнологии выявило много пробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях.
молекулярный дизайн материалов и веществ с заданными свойствами, значительно превосходящими свойства их современных аналогов;
- нанопроцессоры с низким уровнем энергопотребления и существенно более высокой производительностью;
- небольшие по размеру запоминающие устройства с огромным (мультитерабитным) объемом памяти;
- новые лекарственные препараты и методы их введения в организм (проблемы сверхмалых доз и их адресной доставки);
- новые методы мониторинга окружающей среды и организма человека с использованием наносенсоров
Особенности материалов нанометрового масштаба.
Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие наперед заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.
|
|
|
Современная классификация нанотехнологии.
В нанотехнологии выделеяют три направления: «мокрое», «сухое» и компьютерное.
Под «мокрой» нанотехнологией понимают изучение биологических систем, которые существуют предпочтительно в водной среде и включают генетический материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и другие компоненты клеток. Такие структуры нанометрового размера, как известно, возникли и развиваются в результате эволюции организмов.
«Сухая» нанотехнология берет начало от физической химии и науки о поверхностных явлениях, сосредоточена на получении структур из углерода (например, нанотрубки), кремния, различных металлов и вообще из неорганических материалов. Конечная ее цель – создание функциональных устройств, обладающих такой же способностью к самосборке, как и «мокрые» структуры, но без опоры на эволюцию.
Компьютерная нанотехнология позволяет моделировать сложные молекулы и системы, вычислять их относительную устойчивость и предсказывать поведение. Для создания аналогов созданного природой за сотни миллионов лет требуется немалое время. Моделирование и расчеты позволяют резко – до нескольких десятилетий – сократить этот период.
|
|
|
Особенности технологии наноматериалов как одного из направлений нанотехнологии.
Химические и физические свойства чистых твердых веществ не зависят от их массы и размера частиц. Например, растворимость висмута в меди при комнатной температуре имеет однозначение. Температура плавления чистого железа имеет одно значение, температура фазового перехода чистого диоксида циркония из тетрагональной модификации в кубическую имеет одно значение, как и ширина запрещенной зоны чистого кремния. Это же касается многих других свойств веществ. Однако при переходе к наночастицам свойства меняются. Важно также то, что при уменьшении размеров до нанометровых меняются электронные свойства веществ, их магнитные характеристики. Становится иной физическая сущность многих процессов переноса. Так, у металлов переход к квантовым эффектам наблюдается при размере частиц 1–2 нм, у полупроводников – 50–100 нм. Это означает, что природа поставила предел на пути миниатюризации приборов современной микроэлектроники, что через несколько лет кремниевая электроника достигнет своего предела и что, если ставить целью дальнейшую миниатюризацию электронных устройств, уже сейчас необходимо искать новые принципы их создания..
|
|
|
