Физика наноматериалов

Автор: Басалаева Юлия Анатольевна

Организация: МБОУ «СОШ № 1 г. Никольска»

Населенный пункт: Вологодская область, г. Никольск

Оглавление

1. Введение. 3

2. Основная часть. 5

2.1. Нанотехнологии. Классификация наноматериалов. 5

2.2. История появления. 6

2.3. Физические свойства наноматериалов. 7

2.4. Физические методы получения наноматериалов. 10

2.5. Анализ перспективы на ближайшие исследования. 13

3. Заключение. 14

Список использованных источников информации. 15

 

  1. Введение.

Любая достаточно развитая

технология неотличима от магии.

Артур Чарльз Кларк1

Человечество вступило в XXI столетие с приставкой «нано». Разработка наноматериалов и наноструктур затрачивает все большее количество как финансовых, так и человеческих ресурсов. Проводимые учеными всего мира исследования прогнозируют, что наше будущее будет неразрывно связано с нанопроцессами. Кроме того, Реймонд Курцвейл и Эрик Дрекслер, будучи изобретателями-футурологами, называют XXI век «Веком нанотехнологий», объясняя это тем, что будущее будет напрямую зависеть от проводимых сейчас разработок.

На данный момент нанотехнологическое развитие настолько важно, что является одной из государственных задач в мире. Это подтверждается ростом значимости нанотехнологий для науки и обширностью применения наноматериалов в таких областях, как энергетика, космические технологии, электро- и радиотехника, биотехнологии и в других, не менее важных.

Принимая во внимание эти факторы, считаем исследуемую тему актуальной.

Проблема. Высокий уровень заинтересованности государства данным направлением науки доказывает важность и перспективность исследований в этой сфере. Но поскольку в рамках школьного образования нанотехнологии не рассматриваются, имеет смысл изучить в данной работе не только связь нанотехнологий с физикой, а также появление новых приоритетных направлений в области физики, связанные с применением наноструктурных объектов.

Объект исследования. Наноматериалы.

Предмет исследования. Физические характеристики наноматериалов.

Цель работы. Выявление перспективных направлений нанофизики на основе анализа влияния физических процессов на характеристики и методы получения наночастиц.

Задачи.

  1. Провести анализ информации для изучения проблемы.

  2. Выделить основные моменты в истории зарождения нанотехнологий.

  3. Охарактеризовать наиболее важные физические свойства, наблюдаемые у наноматериалов.

  4. Рассмотреть вопрос о получении наноматериалов с точки зрения физики.

  5. Выявить перспективные направления в физике с применением нанотехнологий на ближайшее десятилетие.

  6. Подвести итоги работы, сделать выводы.

Методы анализа. Сбор и анализ статистической информации из официальных источников, вторичной информации печатных и электронных изданий.

Практическая значимость. Результаты проектной работы могут быть использованы на уроках физики, а также для общего осведомления учащихся школы.

2. Основная часть.

    1. Нанотехнологии. Классификация наноматериалов.

Нанотехнологиями2 принято считать совокупность технологических методов и приемов, ориентированных на изучение, проектирование и производство материалов, а также целенаправленный контроль и управление строением, возможность создавать и модифицировать объекты с размерами в нанодиапазоне (т.е. от 1 до 100нм). Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции (схождения) органического и неорганического мира с последующим созданием новых структурных материалов.

Согласно классификации И.П. Суздалева3 наноструктурные материалы подразделяют на две группы. К первой относят изолированные и слабо взаимодействующие нанокластеры, такие как фуллерены, углеродные, молекулярные, коллоидные кластеры, а также газовые безлигандные (т.е. кластеры щелочных металлов, алюминия, ртути). Ко второй - твердотельные нанокластеры и наноструктуры, а именно, матричные нанокластеры и супрамолекулярные наноструктуры, кластерные кристаллы и фуллериты, нанокомпозиты, нанопленки и нанотрубки. Эта классификация была создана по принципу получения этих материалов, хотя особой точного разделения между ними нет.

Такое разнообразие наноструктур определяет, в первую очередь, квантовый характер наносостояния. Такие системы далеки от равновесия по причине наличия развитой поверхности. Расположение атомов вблизи поверхности отличны как геометрически, так и физически от положений в объеме кристалла.

  1. История появления.

Зарождение идей о возможных исследованиях объектов на атомно-молекулярном уровне началось довольно давно. Но эти предположения не реализовывались в действия долгое время. Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями сделал Ричард Фейман, выдающийся американский физик, лауреат нобелевской премии. Ему удалость заметить перспективность управления материалами в диапазонах малых размеров, а также возможность создания устройств принципом молекулярного строения.

Эта мысль прозвучала в его докладе «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики» на конференции 29 декабря 1959 года в Калифорнийском технологическом институте (впоследствии эта дата будет считаться Днем Рождения нанотехнологий). Он был уверен, что «научившись регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы с совершенно неожиданными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты»4. Именно Р. Фейман выдвинул идею о возможности работы с отдельными атомами. Также в своем докладе он изложил основные проблемы миниатюризации объектов. Несмотря на трудности работы с нанообъектами, он был уверен в перспективности развития этого направления.

Впервые сам термин «нанотехнологии» был употреблен японском профессором Норио Танигучи в докладе «Основные принципы нанотехнологии» на конференции точного машиностроения в Токио в 1974 году при обсуждении проблем обработки хрупких материалов5.

Впервые получить нанокристаллические материалы удалось немецкому ученому Герберту Гляйтеру в 1981 году. Но должное внимание ученых к наномиру привлек лишь в 1986 году американский ученый Эрик Дрекслер. В своих книгах он рассмотрел всевозможные аспекты применения наноструктурных материалов. Также Э. Дрекслером были развиты некоторые идеи Р. Фейнмана. В 1980-х годах он также использовал этот термин в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».6

Подводя итог, достаточно давно уже были выдвинуты идеи развития данной области науки. Ученые полагали, что конструирование материалов на атомно-молекулярном уровне, в целом, не противоречит законам физики, поэтому возлагались большие надежды на физические процессы.

    1. Физические свойства наноматериалов.

Наноматериалы, как правило, занимают промежуточное положение между микрочастицами и молекулами. Заметим, что наноматериалы также являются объектами молекулярной физики, что подтверждает наличие у них как физических, так и химических свойств.

Наноструктуры являются одним из наиболее сложных состояний конденсированной фазы. Структурные особенности наноматериалов определяются методом организации строения, связанной с изменением постоянной решетки нанокластера.

Докажем наличие физических характеристик у наноструктур на примере рассмотрения следующих свойств:

1. Механические свойства. Механические свойства материалов напрямую зависят от структуры, дефектности и состоянии межзеренных границ7. При уменьшении размеров у наноматериалов наблюдаются существенные изменения в значениях прочности, твердости и пластичности материалов. Например, модуль упругости (модуль Юнга) почти в 10 раз больше, чем у стали, а прочность выше примерно в 20 раз. Такие материалы обладают высокой пластичностью за счет наличия широкой сетки границ и хорошему проскальзыванию зерен на этих границах. Так же по сравнению с другими объектами, у наностуктур происходит увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости.

2. Электромагнитные свойства8. Уменьшение размера кластера приводит к уменьшению электропроводности. У металлических нанотрубок сопротивление незначительно и почти линейно возрастает с температурой, а у полупроводниковых наблюдается почти линейная зависимость логарифма сопротивления от обратной температуры. Также нанотрубки обладают ярко выраженным магнитосопротивлением. При приложении внешнего магнитного поля в направлении оси нанотрубки в зависимости от напряженности поля наблюдаются осцилляции электрического сопротивления (квантовомеханический эффект Ааронова-Бома). Кроме того, они обладают повышенной электронной эмиссионной способностью, что позволяет их использовать в низкотемпературных катодах.

3. Оптические свойства. Оптические свойства наноструктур не сильно отличаются от свойств кристаллических твердых тел. Но происходит существенное изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения, также увеличивается рассеивающая способность. Особенностью наноматериалов является такое оптическое свойство, как способность их взрываться при интенсивном освещении (например, при фотовспышке). Причина этого явления в том, что при фотовспышке происходит нагрев кислорода, находящегося как внутри, так и вне нанотрубок. Нагрев приводит к резкому повышению температуры внутри нанотрубок и мгновенному сгоранию. В отсутствие кислорода эффект не наблюдается9.

4.Термические свойства. Тепловые свойства изучены достаточно плохо. Теплопроводность углеродных наноматериалов заметно отличается от других аллотропных форм углерода. Если для алмаза и графита велика, то для фуллеренов и нанотрубок она низкая. К примеру, при комнатной температуре абсолютное значение коэффициента теплопроводности образца, заполненного нанотрубками, примерно в 60 раз меньше, чем для графита. Материалы с фуллеренами и углеродными нанотрубками обладают низкой теплопроводностью, так как имеют слабую межмолекулярную связь между молекулами фуллерена в кристалле и неупорядоченной структурой объектов, содержащих углеродные трубки. У наноматериалов также заметно уменьшение спекания на 15-20% по причине изменения спектра фононов.

5. Химические свойства. Химические свойства включают синтез, очистку и различные формы химического модифицирования внутренней и внешней поверхностей нанотрубок10. Так как углеродные нанотрубки и фуллерены представляют собой каркасные структуры, они выглядят как оболочки, пустые внутри. Важнейшим свойством нанотрубок является способность поглощать и удерживать водород и другие вещества в больших количествах. Это значит, что они могут выступать как хранилищами газообразных и жидких веществ, так и служить хорошими катализаторами для многих химических реакций. Отличительной особенностью углеродных нанотрубок также является увеличение растворимости (до 20-25 %) в кислотах и понижение температур химических реакций.

4.  Физические методы получения наноматериалов.

Формирование наноматериалов возможно при существенных отклонениях от исходного условия равновесия, и происходит в основном в ходе таких процессов, как фазовые превращения, химическое взаимодействие, высокие механические нагрузки, биологический синтез11. Важно заметить, что конечный продукт, содержащий наноматериалы, не обязательно сам является наноматериалом.

Лауреат нобелевской премии Т.Сведберг12 предложил разделить методы получения наноструктур на две группы: диспергационные (измельчение или распыление макроскопической фазы) и конденсационные (химическая или физическая конденсация).

Полный текст статьи см. в приложении.

Опубликовано: 04.05.2021