 |
Лекция 9 (2ч.). Материаловедение
|
|
|
|
Качество многих привычных материалов может быть повышено за счет использования наночастиц и атомарной обработки. Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и прочные композитные (смешанные, сложносоставные) материалы. Появятся так называемые "умные" материалы, способные изменять свою структуру в зависимости от окружающей среды. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида), которые могут использоваться в аэрокосмической и автомобильной промышленности.
В зависимости от вещества, формы кластеров и типа связи между атомами существует величайшее множество нанообъектов. Вот некоторые из них.
Частицы из атомов инертных газов (рис.18)
Это самые простые нанообъекты. Атомы инертных газов с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-ваальса.
Рис. 18 Наночастица из 16 атомов аргона
При описании таких частиц с достаточно хорошей точностью применима модель твердых шаров. Энергия связи, то есть энергия, затрачиваемая на отрыв отдельного атома от из 16 атомов аргона такой наночастицы, очень мала, поэтому они существуют при температурах не выше 10-100 К.
Частицы металлов (рис.19)
Рис 19. Наночастица металла
В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов.
Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму - октаэдра, икосаэдра, металла тетрадекаэдра.
Рис 20. Возможные формы металлических наночастиц
|
|
|
Алмазоид
Рис. 21. Структура алмазоида
Алмазоид представляет собой углеводород, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе (рис. 33).
Алмазоид — гидрокарбонат, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную сетку с конфигурацией электронных орбиталей sp3, точно такую же, как и в алмазе.
В природе алмазоид встречается в сырой нефти в виде молекул низших гидрокарбонатов — адамантана (C10H16), диамантана (C14H20) и триамантана (C18H24). Все эти соединения были синтезированы несколько десятилетий тому назад. Свойства этих материалов различны, однако всем им присущи такие базовые характеристики природного алмаза, как модуль Юнга > 1050 ГПа, температура плавления выше 1800°С, плотность 3500 кг/куб. м. Глядя на характеристики высших алмазоидов, можно сделать вывод, что любой предмет, изготовленный из них, будет иметь жесткость гораздо большую, нежели у аналогичного предмета из стали; более высокую температуру плавления; и, благодаря возможности изготовления волокон, будет гораздо легче аналогов из других материалов. Можно улучшить характеристики алмазоида, включив в его пространственную структуру различные добавки, получив, в частности, материалы с различной электропроводностью, гибкостью и гидрофобностью. Скорее всего алмазоид найдет применение в авиакосмической, автомобильной, судостроительной промышленности и заменит сверхпрочные и сверхлегкие сплавы, использующиеся в этих отраслях.
Получать алмазоидные материалы можно будет благодаря автоматизированному высокоточному механосинтезу, который станет возможным с появлением точных наноманипуляторов. При этом производство алмазоида будет быстрым (Эрик Дрекслер оценил механосинтез алмазоида одной нанофабрикой размерами 0,5х0,5х0,5 м в один-два килограмма в час).
|
|
|
Молекулярные кластеры (рис.22).
Рис. 22.
Большинство кластеров являются молекулярными. Их число и разнообразие огромны. В частности, к молекулярным кластерам относятся многие биологические макромолекул.
Фрактальные кластеры (рис. 23).
Рис. 23.
Фрактальным называется объект с разветвленной структурой. Таковы сажа, коллоиды, различные аэрозоли и аэрогели.
Фрактальным кластером обычно называют агломерат микронных размеров, состоящий из нанометровых твердых частиц, удерживаемых вместе ван-дер-ваальсовскими силами. Фрактальные кластеры образуются либо в результате сильно неравновесной конденсации паров твердого вещества и последующей агрегации нанометровых частиц-мономеров, либо на начальной стадии процесса кристаллизации из растворов или расплавов. Такого рода объекты – обычные сопродукты многих технологических и природных процессов.
Главная черта ФК, определяющая его свойства, – масштабная инвариантность. Любой малый фрагмент ФК при увеличении масштаба воспроизводит пространственную структуру всего кластера. Масштабная инвариантность приводит к тому, что расположение если не всех частиц кластера, то очень большой группы частиц, оказывается скоррелированным, хотя чисто визуально структура может восприниматься как беспорядочная. Второе следствие масштабной инвариантности – наличие в ФК большого числа полостей со степенным распределением по размерам, делающее ФК довольно ажурной конструкцией.
Рис. 24.
Простейшая схематическая модель фрактального кластера, наблюдаемого при различных степенях увеличения используемого “микроскопа”, представлена на рис. 24. Мельчайшие квадратики называются частицами-мономерами. Как мы видим, начиная с третьей картинки, строгая масштабная инвариантность системы нарушается. Квадратики, заключенные в кружки, получили возможность вращаться (в данном случае на угол, кратный 
). Безусловно, это не единственный способ нарушения масштабной инвариантности. Блоки, аналогичные тем, что находятся внутри кружков, называются корреляционными. Внутри этих блоков масштабная инвариантность сохраняется полностью. Число частиц-мономеров внутри корреляционного блока 
предполагается большим. Число корреляционных блоков 
в кластере также велико.
|
|
|
Как и в любой масштабно-инвариантной системе, парные корреляции в расположении частиц-мономеров внутри корреляционного блока спадают по степенному закону. Парный коррелятор 
. Параметр 
называется фрактальной размерностью кластера. Значение 
и необязательно целое. Фрактальная размерность определяет число частиц-мономеров кластера, находящихся внутри воображаемой сферы радиуса 
:
(1)
Парные корреляции в расположении частиц-мономеров, принадлежащих различным корреляционным блокам, спадают существенно быстрее. Чтобы отразить это, мы пользуемся парным коррелятором следующего вида:
(2)
удовлетворяющим условию нормировки:
(3)
где 
– средняя плотность частиц-мономеров в кластере; 
– радиус отдельной частицы-мономера; 
– размер корреляционного блока (
); 
– гамма-функция Эйлера; 
- фактор упаковки частиц-мономеров, связанный с размером кластера 
соотношением:
(4)
Напомним, что полное число частиц-мономеров в кластере связано с и соотношением [2]:
(5)
Соответственно число корреляционных блоков в кластере:
(6)
Что касается корреляторов, то они вводятся стандартным способом:
(7)
где 
– соответствующие многочастичные функции распределения.
Одночастичная функция 
отождествляется со средней плотностью частиц. В дальнейшем предполагается, что все многочастичные корреляторы сводятся к произведению парных:
(8)
Фуллерены
Фуллерены получили свое название в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре (поэтому их также называют бакиболами). Фуллерен имеет каркасную структуру, очень напоминающую футбольный мяч, состоящий из “заплаток” пяти_ и шестиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен С60.
В молекуле С60, которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три с пятиугольниками.
|
|
|
Структура молекулы фуллерена интересна тем, что внутри такого углеродного “мячика” образуется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ,
что дает, например, возможность их безопасной транспортировки.
Рис. 25. Структура фуллерена Структура алмаза
|
|
|
