Структуры на основе оксида ванадия

ü один из немногих неорганических оксидов, образующих лиотропные жидкокристаллические системы, в которых палачковидные частицы имеют высокую степень упорядочения вдоль аксиальной оси.

ü При высыхании такого коллоидного раствора образуются ксерогели с частично упорядоченной слоистой структурой.

ü Современное направление – интеркаляция в структуру нанотрубок различных органических производных с целью разработки прототипов вторичных источников тока нового поколения, обладающих рекордной удельной емкостью.

Нитевидные кристаллы - вискеры манганита Ba₆Mn₂₄O₄₈, образовавшихся кристаллитах гаусманита Mn₃O₄ при высокотемпературной обработке

(950 ºС, воздух, расплав KCl-BaCl₂). Присутствие изогнутых вискеров говорит об их необычайной гибкости, недоступной объемным неорганическим кристаллам.

ДВУМЕРНЫЕ (2 D) ОБЪЕКТЫ

Условие* – объект имеет наноразмер только в одном измерении.

Тонкий слой чего-либо, существующий отдельно либо покрывающий какую-либо поверхность

Пленки

Толстые пленки (покрытия > 100 нм) – трехмерные объекты

Тонкие пленки (слои<100 нм) – двухмерные объекты

ü Тонкие пленки широко используются в полупроводниковых и гибридных интегральных микросхемах для создания проводниковых соединений:

• резисторы,

• конденсаторы,

• изоляция между элементами и проводниками.

ü Помимо необходимых электрофизических параметров от них требуется хорошая адгезия (прочность связи) к материалу, на который наносится пленка.

ü Для предотвращения повреждений пленок при колебаниях температуры желательно, чтобы ТКР пленок и подложек как можно меньше отличались друг от друга.

ü Микрофотографии тонкой плёнки Pd на кремниевой подложке после облучения ионным пучком H₂⁺ и H⁺c энергией 200 эВ в течение 10 мин и обработки водородом в СВЧ плазме в течение 5 минут, соответственно.

ü До обработки толщина плёнки составляла ~100 нм.

ü Фотографии наглядно демонстрируют процессы, вызванные облучением плёнки палладия водородом и связанные с накоплением водорода в металле: утолщение плёнки, блистеринг и отслаивание.

ФРАКТАЛЬНЫЕ КЛАСТЕРЫ

Фракталом (от англ. fraction– доля или от лат. fractus – ломаный, разбитый) называется структура, состоящая из частей, подобных целому (Мандельборт).

Пусть имеется озеро с изрезанным берегом.

Измерим его периметр

с помощью 10-метровой рулетки – L₁;

с помощью 1-метровой линейки – L₂;

с помощью 10-сантиметровой линейки – L₃;

L₁ <L₂ <L₃

Береговая линия является множеством, занимающим промежуточное положение между обычной линией

D = 1

и поверхностью

D = 2.

Величина 1 < D< 2 тем больше, чем более изрезанным является берег.

Берется отрезок длиной в 1/3 первого, на котором строится равнобедренный треугольник.

Затем на каждом из полученных отрезков строятся треугольники и т.д.

Длина сложной геометрической фигуры при n-м шаге

L_n = (4/3)ⁿ

Длина каждого звена

l_n = (1/3)ⁿ

n = –ln l_n /ln3

L_n = l ^1–D

D = ln4/ln3 = 1,263

Фигура Кох представляет собой самоподобное множество – фрактал.

Фракталы имеют

· рыхлую структуру;

· меньшую плотность, чем сплошные структуры;

· могут иметь высокие значения пористости.

Примеры фракталов

1. Фрактальные агрегаты кобальта, полученные на сетке при испарении металла. Осадок имеет пористую структуру, основной объем занимают поры.

Рис. Кобальт, полученный химическим восстановлением.

2. Аэрогели – макроскопические твердые тела, состоящие из связанных между собой микрочастиц, образующих жесткий каркас, который занимает малую часть объема.

Аэрогели (SiO₂ или TiO₂) являются отличными теплоизоляторами, поскольку могут выдерживать нагрев до 800-900 ºC, но и проводят тепло так же плохо, как и воздух, из которого в основном и состоят.

Аэрогели можно использовать в качестве

- фильтров,

- сорбентов,

- носителей катализаторов,

- из них можно сделать особые сорта стекла и оптическое стекловолокно.

Форум

1. Мне как-то физик объяснял, то есть постоянное повторение одного и того же до бесконечности из самого себя, примерно так.

2. "Фрактал - это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба. Масштабная инвариантость, наблюдаемая во фракталах, может быть либо точной, либо приближённой."

3. Действительно "Фрактал - это бесконечно самоподобная фигура, но не геометрическая. Это лишь частный случай

2.2. Фуллереныи их производные. Углерод. Алмаз. Графит. Фуллерен. Фуллериты. Эндофуллерены. Углеродные нанотрубки, Графен.

УГЛЕРОД

Электронная формула

Основное состояние С 1s² 2s²2p²

Возбужденное состояние С* 1s² 2s¹2p³

ü В атоме углерода в отличие от других элементов (кроме водорода) число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Это причина большой устойчивости связи С—С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей.

ü Гомоцепные молекулы, содержащие связь С—С, бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые, циклические.

ü Углерод образует стабильные соединения со многими веществами (N, O, H).

ü Углерод относительно стоек к окислению

ü В зависимости от числа σ-связей координационное число углерода равно четырем (sp³ - гибридизация), трем (sp² -гибридизация) или двум (sp – гибридизация) валентных орбиталей

ü Атомы углерода могут объединяться в полимерные образования координационной(sp³), слоистой(sp²) и линейной (sp) структуры.

ü Этому соответствуют три типа аллотропной модификации: алмаз, графит и карбин.

ü Фуллерен, фуллерит и углеродные нанотрубки – следующие модификации углерода.

ü Карбин в настоящее время рассматривается как полимер)

 

АЛМАЗ

ü Алмаз – кристаллическое вещество с атомной координационной кубической решеткой.

ü Каждый атом в алмазе образует равноценные прочные σ-связи с четырьмя соседними.

ü Это обусловливает исключительную твердость и отсутствие электронной проводимости в обычных условиях (Δ Е=5,7 эВ).

ü Значение энтропии алмаза – всего 2,4 Дж/(К·моль).

 

ГРАФИТ

ü Графит – слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой;

ü Атомы углерода объединяются в макромолекулы, представ-

ляющие собой бесконечные слои из шестичленных колец;

ü sp² -гибридное состояние стабилизируется делокализованной π-связью, образованной за счет четвертого электрона каждого из атомов;

ü делокализованной связью определяются электрическая проводимость, серый цвет и металлический блеск графита;

ü углеродные слои объединяются в кристаллическую решетку за счет межмолекулярных сил;

ü прочность химических связей в плоскости макромолекулы (716 кДж/моль) значительно больше, чем между слоями (17 кДж/моль);

ü графит мягок, легко расслаивается, химически несколько активнее алмаза;

ü энтропия графита составляет 5,74 Дж/(К·моль).

ФУЛЛЕРЕН

ü фуллерены C ₆₀сферы с диаметром приблизительно в один нанометр;

ü в соответствии с теоремой Л. Эйлера атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников;

ü молекула названа в честь архитектора Б. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников;

ü Первоначально возможность существования структуры, состоящей из 60 углеродных атомов (C₆₀-фуллерена), была обоснована теоретически (Д.А. Бочвар, Е.Н. Гальперин, СССР, 1978 г.).

ü Все атомы углерода в молекуле C₆₀-фуллерена находятся в sp²-гибридном состоянии и связаны с тремя другими атомами углерода.

ü Негибридизованные p -орбитали углеродных атомов располагаются перпендикулярно сферической поверхности, образуя p-электронное облако снаружи и внутри сферы.

ü Углеродный скелет молекулы C₆₀-фуллерена представляет собой усечённый икосаэдр.

ü Икосаэдр (от греч. eikosi - двадцать, hedra - грань) – правильный многогранник, имеющий 20 граней (в виде равносторонних треугольников), 30 ребер, 12 вершин (в каждой сходится 5 ребер).

ü Усечённый икосаэдр образован отсечением вершин икосаэдра и cостоит из 32 граней, из которых 12 - правильные пятиугольники и 20 - правильные шестиугольники.

ü Данный многогранник имеет 60 вершин, в каждой из которых сходится 3 ребра. По форме этот многогранник похож на футбольный мяч.

В настоящее время под фуллеренами понимаются углеродные молекулярные кластеры с четным, более 20, количеством атомов углерода, образующих три связи друг с другом

ü Кристаллические фуллерены и пленки из них представляют собой полупроводники и обладают фотопроводимостью при облучении светом (перспективно в наноэлектронике).

ü Кристаллы С₆₀, легированные атомами щелочных металлов, обладают металлическими свойствами и переходят в сверхпроводящее состояние при температуре 19-55 К.

ü Ожидается, что у высших фуллеренов, с количеством атомов более 70, температура сверхпроводящего перехода еще выше.

ü Сферическая форма фуллеренов наряду с их исключительной твердостью позволяют использовать эти наноразмерные “шарики” в качестве высокоэффективной твердой смазки.

ü Высокими смазочными свойствами обладают также растворы фуллеренов в некоторых органических растворителях, например, толуоле.

ü Добавление фуллеренсодержащей сажи к синтетическим смазочным маслам приводит к снижению коэффициента трения до 0,02.

ü Молекулы С₆₀ могут образовывать кристалл с гранецентрированной кубической решеткой и слабыми межмолекулярными связями (фуллериты).

ü В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которые можно поместить посторонние атомы.

ü Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов, то при температуре ниже комнатной образуется материал, обладающей полимерными свойствами.

ü Если заполнены также и тетраэдрические полости, то материал приобретает сверхпроводящие свойства с критической температурой 20–40 К.

ü Соединение С₆₀ – этилен обладает ферромагнитными свойствами (органический ферромагнетик!).

ü Фуллериты обладают фотопроводимостью в диапазоне длин волн падающего света от 280 нм до 680 нм, что позволяет изготавливать на их основе фото– и светодиоды, а также полупроводниковые лазеры, излучающие не только в видимом диапазоне света, но и в ультрафиолетовом диапазоне.

Внутри молекулы фуллерена может быть размещен один или несколько неуглеродных атомов. Такие композитные молекулярные структуры называются эндофуллеренами или эндоэдральными комплексами.

ü Ожидается, что некоторые такие соединения будут обладать сверхпроводящими свойствами.

ü Внедряя внутрь фуллеренов атомы радиоактивных элементов, можно создать высокоэффективные противоопухолевые препараты для селективной радиотерапии.

 

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Нанотрубки представляют собой графитовые сетки, свернутые в трубки, и могут быть как открытыми, так и закрытыми с концов, однослойными и многослойными.

ü Электропроводящие свойства нанотрубок зависят от угла между осью нанотрубки и направления, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками.

ü Углеродные нанотрубки чрезвычайно прочны и очень упруги.

ü Открытые нанотрубки ведут себя как капилляры, втягивая в себя растворы или расплавы вещества, атомы которого меньше внутреннего диаметра трубки. Так могут создаваться нанопроволоки.

ü Свойства металла внутри нанотрубки могут сильно отличаться от свойств этого металла в свободном состоянии, так как взаимодействие с углеродными стенками приводит к изменению его физических свойств.

ü Прочность углеродных нанотрубок на два порядка выше,чем у стали, а вес примерно в четыре раза меньше. Модуль Юнга таких структур достигает 3,7·1012 Па (для сравнения у легированной стали он равен 2,06·1011 Па).

ü Из таких трубок можно делать конструкции предельно высокой прочности: элементы турбин, несущие конструкции мостов, летательных аппаратов и др.

ü Австралийские ученые предложили делать из нанотрубок бронежилеты. Они обладают пулеотталкивающими свойствами: под воздействием пули нанотрубки прогибаются, а затем восстанавливают свою форму.

 

ГРАФЕН

Графен (англ. graphene) — слой атомов углерода толщи-ной в один атом, соединённых посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

На сегодняшний день графен - самый тонкий материал, известный человечеству.

ü Графен можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

ü графен обладает большой механической жёсткостью (~1 ТПа);

ü хорошей теплопроводностью (~5×10³ Вт·м⁻¹·К⁻¹).

ü Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает графен перспективным материалом для использования его в наноэлектронике и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

ü Максимальный размер графена, полученного на сегодняшний момент = 1´1 см.

 

2.3. Объемные наноструктурные материалы. Нанокомпозиционные материалы.Нанопористые материалы.

По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные. К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными.

Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: