Наноматериалы, их получение и применение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

Уральский Государственный  Университет им. А.М. Горького

 

 

Кафедра неорганической химии

 

 

НАНОМАТЕРИАЛЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ, СВОЙСТВА

 

Курсовая работа

 

 

Студентки 1-го курса

Астафьевой Юлии Дмитриевны

 

Научный руководитель:

доц., к.х.н. Кочетова Н.А.

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург – 2011

Содержание

Введение 3

1. Наноматериалы: настоящее и прошлое 4
2. Понятие    о    наноматериалах.    Классификация и типы структур наноматериалов 6
1. Классификация наноматериалов 6
2. Основные типы структур наноматериалов 9
3. Наиболее важные наноматериалы 10
1. Нанопорошки 10
2. Нанокластеры 11
3. Фуллерены 12
4. Фуллериты 13
5. Углеродные нанотрубки 14
6. «Умные наноматериалы» 16
4. Свойства наноматериалов 18
5. Способы получения наноматериалов 21
1. Метод порошковой металлургии 21
1. Технологии химического осаждения из паровой фазы 21
2. Методы физического осаждения из паровой фазы 24
3. Механическое измельчение 25
2. Методы с использованием аморфизации 25
3. Методы с использованием интенсивной пластической

деформации 26

4. Методы с использованием технологий

обработки поверхности 26

1. Технологии, основанные на физических процессах 26
2. Технологии, основанные на химических процессах 28
6. .   Применение наноматериалов 29
7. .   Заключение 32
8. .   Список литературы 33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время относят к ключевым  аспектам    основы    экономической       мощи    и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

      Среди основных  составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

1. фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
2. развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и внедрение наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
3. развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

     Начало XXI века ознаменовалось масштабным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых

странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения

фундаментальных и поисковых  разработок позволяет сделать вывод  о том,

что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов

будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического

и оборонного развития государств. Некоторые эксперты даже предсказывают, что XXI века будет веком нанотехнологий (по аналогии с тем как XIX век называли веком пара, а XX век – веком атома и компьютера).    

   Таким образом,  тема наноматериалов в наше время очень актуальна. Поэтому я и взяла ее для своей курсовой. Цель моей работы  - рассмотреть основные представления о наноматериалах, их структуре, свойствах и технологиях их получения.

 

 

1. Наноматериалы: прошлое и настоящее

    

 Приставка «нано» (от греч. «nannos» – карлик, множитель приставки 10^-9 м) прочно вошла в современный научно-технический лексикон, обусловив широкое распространение в научно-технической литературе терминов «наноматериалы», «наноэлектроника», «нанотехнология», «нанокерамика» и др.

     Над возможностью разработки нанотехнологий и создания наноматериалов люди стали задумываться достаточно давно. Мысли об использовании отдельных сверхмелких частиц для создания нужных предметов и материалов приходили в голову, как средневековым алхимикам, так и выдающимся ученым XVII-XVIII веков, например М.В. Ломоносову и французу П. Гассенди. Русский писатель Н.С. Лесков в своем знаменитом произведении о тульском механике Левше описывает практически классический пример нанотехнологии - производство «механической блохи». При этом имеется загадочное совпадение – для наблюдения «наногвоздей» в подковах блохи по Лескову требовалось увеличение в 5 миллионов раз, то есть как раз предел возможностей современных атомно-силовых микроскопов, являющихся одним из основных средств исследования наноструктурных материалов.

     Научные исследования нанообъектов берут свое начало в XIX веке, когда в 1856-1857-е годы М. Фарадей впервые получил и изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе.    Но  свое основное развитие наноматериалы получили в ХХ веке. Этот термин ввел в научный обиход Глейтер в 80-х годах XX века. Он же первый и сформулировал концепцию наноматериалов. Глейтер указал на возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными   дополнительными     свойствами     по   сравнению     с традиционными микроструктурными материалами.

     В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как

фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и  бизнеса постоянно увеличивается.  Это обусловлено такими причинами, как:

   - стремление к миниатюризации изделий;

   - уникальными свойствами  материалов в наноструктурном состоянии;

   - необходимостью  разработки и внедрения новых  материалов с качественно и количественно новыми свойствами;

   - развитие новых  технологических приемов и методов,  базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

   - практическое внедрение  современных приборов исследования  и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, рентгеновские методы, нанотвердость);

   - развитие и внедрение  новых технологий (ионно-плазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, LIGA-технологии, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки, технологий получения и формования нанопорошков и т.п.).

     Развитие      фундаментальных    и    прикладных     представлений    о наноматериалах и нанотехнологиях уже в ближайшие годы может привести

к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности: в

материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении,

медицине, сельском хозяйстве, экологии. Наряду с компьютерно- информационными технологиями и биотехнологиями, нанотехнологии являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке.

 

 

2. Понятие    о    наноматериалах.    Классификация и типы структур наноматериалов

 

     Так что же такое наноматериалы? В общем, это материалы, обладающие каким-либо уникальным свойством, полученным благодаря использованию наночастиц и нанотехнологий в целом. Размер наночастиц  лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. Однако в настоящее время уже получены многие наноматериалы на основе нитридов и боридов с размером кристаллитов около 1–2 нм и менее. Но необходимо понять, что размеры частиц, из которых состоят наноматериалы, ничего не значат. Суть в том, что эти наночастицы позволяют получить какие-то ранее недосягаемые свойства (например, текучесть одновременно с возможностью притягиваться к магнитам). Наночастицы в руках нанотехнологов это всего лишь инструмент. Например, можно взять много наночастиц слепить их в комок, но это не будет наноматериалом, это будет просто комком наночастиц.

 

     2.1. Классификация наноматериалов

     Существует несколько типов классификаций наноматериалов (НМ).  Одна из них - классификация по Глейтеру. Немецкий ученый разделил наноматериалы на следующие типы:

     1. материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу;

2. материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, значительно улучшаются за счет создания в них наноструктуры;
3. массивные НМ, которые можно разделить на два класса:
1. НМ, атомная структура и/или химический состав которых меняются по объему материала на атомном уровне. К таким материалам относятся стекла, гели, пересыщенные твердые растворы или имплантированные материалы получаемые;

б. НМ, состоящие из наноразмерных блоков (кристаллитов), которые могут различаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией, химическим составом, и областей между соседними блоками (границы зерен).

     Но более обширное и четкое представление о наноматериалах дает классификация по структурным признакам (рис.1). Согласно ей все наноматериалы подразделяются на наночастицы и наноструктурные материалы.

 

 

 

 

 

Рис.1. Классификация наноматериалов по структурным признакам.

 

     Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул. К ним относятся:

1. нанокластеры, среди которых различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении атомов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные нанокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями;
2. нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями – подобно массивным кристаллам (макрокристаллам).
1. фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде сфероподобного каркаса;
2. нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;
3. супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;
4. биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);
5. мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;
6. липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений – фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру.

     Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Нано-структурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наноча-стиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.    

     Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом. К консолидированным наноматериалам относятся:

1. нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, которые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами;
2. фуллериты, состоящие из фуллеренов;
3. фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направлениях с полудлиной световой волны;
4. слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины;
5. матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы – матрицы - в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);
6. нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор;
7. наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины -  разделяющие поры.

     Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой. К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпозиты и нанопористые материалы, а также:

1. нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наночастиц;
2. наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости;
3. наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распределенных в объеме другой жидкости;
4. наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно рас-пределенных в объеме газообразной среды.

     Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомолекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологическую природу.

     Еще одна  классификация делит наноматериалы по количеству измерений. Согласно ей НМ бывают: