Наноматериалы: классификация и уникальные свойства

 

1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, что то же самое, одной миллионной доле миллиметра.

В точности неизвестно, когда человек впервые начал использовать преимущества наноразмерных материалов.

Есть сведения, что в 4 веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее наночастицы металлов. Витражные стекла содержат наночастицы золота, серебра и меди.

Первым ученым, который использовал единицу измерения нано, был Эйнштейн, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара составляет 1 нм.

Впервые концепции наноматериалов были сформулированы применительно к металлическим материалам Г. Глейтером в 1981 г. Им же был введен термин «нанокристаллические» материалы, позже стали использовать такие термины, как наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные материалы.

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, вследствие чего, обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Выделяют следующие типы наноматериалов:

наночастицы – частицы диаметром от 2 до 100 нм, состоящие из 10²-10⁶ атомов. Наночастицу принято рассматривать как составную часть объемных материалов, которые включают самые разнообразные структурные элементы.

Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов. Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму - октаэдра, икосаэдра, тетрадекаэдра.

Нанокристаллы и нанокластеры - частицы упорядоченной структуры размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов.

Нанокластеры присутствуют даже в обычной воде. Они представляют собой агломераты из отдельных молекул воды, соединенных друг с другом водородными связями. Особенно много кластеров содержится в воде при низкой температуре, вблизи точки плавления. Такая вода характеризуется особыми свойствами – она имеет большую плотность по сравнению со льдом и лучше усваивается растениями.

Нанотрубки и нановолокна - цилиндрические образования углеродных атомов диаметром от 0, 5 до 10 нм и длиной несколько мкм. ·

Нанопористые структуры - размер пор < 100 нм. Представляют интерес как промежуточные структуры в технологическом процессе изготовления наноэлектронных изделий, например, как мультикатализаторы; как источники энергии и сенсоры. ·

Нанодисперсии - коллоиды, взвесь частиц размером от 1 до 1000 нм в органических или неорганических жидкостях. ·

Наноструктурированные поверхности и пленки - плоские наноструктуры толщиной в один или несколько атомов. ·

Перспективными наноматериалами являются нанопленки. Благодаря очень малой толщине (всего в одну или две молекулы) они пропускают свет и незаметны для глаза. Полимерные нанопокрытия из полистирола и других полимеров надежно защищают многие предметы, используемые в быту, – экраны компьютеров, окошки сотовых телефонов, линзы очков.

Нанообъекты характеризуются не только малым размером, но и особыми свойствами, которые они проявляют, выступая как составная часть материала.

Зависимость физических и химических свойств наночастиц от их размера называют размерным эффектом.

Как правило, размерные эффекты проявляются, когда размер частиц не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда их размер становится менее 10 нм.

С уменьшением объектов до наноразмеров происходит:

увеличение прочности;

снижение пластичности; ·

снижение температуры плавления; ·

увеличение реакционной способности; ·

увеличение тепловых эффектов; ·

изменение температуры фазовых превращений;

изменение электропроводности и т.д.

 

Фуллерены и их производные

Фуллерены - аллотропная модификация углерода состава Cn (n > 20), молекулы которых имеют форму сферических многогранников. Самой устойчивой из них является молекула, содержащая 60 атомов углерода, C60, которую и называют собственно фуллереном. Фуллерен обладает многими необычными физическими и химическими свойствами, которые делают его очень перспективным объектом, как для научных исследований, так и для создания нанотехнологий.

Фуллерен называют «самой круглой молекулой, найденной в природе»: все атомы углерода располагаются на поверхности сферы в вершинах пятиугольников (пентагонов) и шестиугольников (гексагонов)

 

Представители фуллеренов а) С60 b) C70 c) C90

 

Названы фуллерены в честь знаменитого архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, который по принципу их строения придумал геодезические конструкции.

Обнаружены молекулы C60 были в 1985 году английским ученым Г. Крото с коллегами в плазме, образовавшейся при лазерном испарении графита.

О возможности существования таких молекул несколько раньше было написано в Японии (1971 г.), а теоретическое обоснование было получено и опубликовано в СССР (1973 г.). Тем не менее, именно Г. Крото, Р. Кёрл и Р. Смолл в 1996 г получили  Нобелевскую премию по химии.

Через несколько лет фуллерен в макроколичествах был синтезирован группой немецких ученых под руководством В.Кретчмера и Д.Хоффмана. Они использовали электрическую дугу, возникающую между двумя угольными электродами при подаче напряжения. В дуге температура достигает нескольких тысяч градусов, что приводит к испарению графита с электродов. В более холодных частях установки, вне дуги газообразный углерод оседает в виде сажи, которая содержит до 12 % фуллеренов, в основном C60 с добавками C70.

Фуллерены были обнаружены в межзвездном пространстве (2010 г.), в вулканических газах. В 2003 г. фуллерены были найдены в минерале шунгите (содержание фуллеренов 0, 001%).

Фуллерен очень плохо растворим в воде и гораздо лучше (несколько граммов на литр) – в неполярных органических растворителях. Это единственная аллотропная форма углерода, которая хоть в чем-то растворима!

Имея в составе молекулы 30 двойных связей, фуллерен С60 обладает довольно высокой реакционной способностью. С момента открытия фуллерена уже получены десятки тысяч соединений на его основе, поэтому можно считать, что фуллерен стал одним из основных строительных блоков органической химии.

Производные фуллеренов применяются в различных областях техники. Плёнки и кристаллы фуллерена - полупроводники, обладающие при оптическом облучении фотопроводимостью. Кристаллы С₆₀, если их легировать атомами щёлочных металлов, переходят в состояние сверхпроводимости.

 Также фуллерен используют в качестве катализатора для синтеза алмазов.

Широко применяются фуллерены в биологии и медицине. Фуллерен понижает активность ВИЧ-интегразы, белка, который отвечает за встраивание вируса в ДНК, взаимодействуя с ним, изменяя конформацию и лишая его основной вредительской функции.

В 2007 году начали использоваться водорастворимые фуллерены для употребления их в качестве противоаллергических средств. Исследования проводились на человеческих клетках и крови, которые подвергались воздействию производных фуллерена - С60(NEt)x и С60(ОН)x. В экспериментах на живых организмах - мышах - результаты были положительными.

Данное вещество можно использовать как вектор доставки лекарства, поскольку вода с фуллеренами (вспомним гидрофобность С₆₀) проникает в мембрану клетки очень легко. Например, эритропоэтин - гормон почек, введённый непосредственно в кровь, в значительном количестве деградируется, а если использовать его вместе с фуллеренами, то концентрация возрастает более чем вдвое, и потому он попадает внутрь клетки.

Главный барьер на пути использования фуллерена в медицине – его плохая растворимость – снимается путем химической модификации поверхности сферы и присоединения к ней гидрофильных групп. Другой способ повышения растворимости фуллерена в воде – использование поверхностно-активных веществ.

Интересное применение нашел фуллерен в водородной энергетике. российские ученые создали новый композитный материал на основе фуллеренсодержащей сажи и гидрида магния, который способен обратимо поглощать рекордные количества водорода и может служить хранилищем этого газа в энергетических установках. В порошок сажи, обработанный глицерином, ученые добавили порошок гидрида магния и приготовили сорбент, который способен поглощать до 65 г/л водорода.

 

Графен

 

Если вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча, а затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который британские физики А. Гейм и К. Новоселов получили и Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита.

 

 Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Рассматривается как будущая основа наноэлектроники. Подвижность электронов в графене в сотни раз превосходит таковую в кристаллическом кремнии, который является самым распространенным материалом современной микроэлектроники.

 Другая область применения графена заключается в его использовании в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы электронов, что в свою очередь ведет к изменению сопротивления графена. Графен используют и для изготовления электродов в суперконденсаторах в качестве перезаряжаемых источников тока.

 

Углеродные нанотрубки

Фуллеренам близка по структуре еще одна аллотропная модификация углерода – нанотрубки.

Если из графенового слоя вырезать прямоугольник и соединить его противоположные края, получится полый цилиндр.

 

 

Модели углеродных нанотрубок:
а) одностенная,                                                   б) многостенная

 

Объекты такой формы называют одностенными, или однослойными, углеродными нанотрубками. Типичные трубки имеют диаметр несколько нанометров и длину от одного до нескольких микрометров, что позволяет считать их одномерными структурами. Трубки могут быть вложены одна в другую наподобие матрешек – такие трубки называют многостенными, или многослойными.

Углеродные нанотрубки были открыты случайно.

 В 1991 г. японский ученый С.Иджима испарял графит в электрической дуге и получил на катоде осадок, состоящий из микроскопических нитей и волокон. Исследование осадка с помощью электронного микроскопа показало, что диаметр нитей составляет несколько нанометров, а длина достигает микрометра. Это и были первые нанотрубки. Они содержали разное количество графеновых слоев и были многостенными. А через два года С. Иджима предложил способ получения одностенных нанотрубок.

Какие же свойства делают нанотрубки перспективным объектом для будущих нанотехнологий?

Во-первых, они обладают очень высокой механической прочностью – одностенные трубки во много раз прочнее стали. Нанотрубки не являются хрупкими. Поэтому их используют как наполнители для полимерных композитов. Введение углеродных нанотрубок в состав композита может повысить тепло- и электропроводность материала, заметно улучшить его механические характеристики, придать композиту те или иные функциональные свойства (способность снимать статические заряды, рассеивать и поглощать радиоизлучение, рассеивать и поглощать лазерное излучение, усиливать электролюминесценцию).

 Очень интересны электрические свойства нанотрубок. Они могут проявлять как металлические, так и полупроводниковые свойства, в зависимости от их строения.

 Нанотрубки обладают высокой удельной поверхностью и являются неплохими адсорбентами. Наличие пор внутри трубок позволяет использовать их для хранения газообразных веществ или в качестве капсул для активных молекул.

Подобно фуллерену, поверхность нанотрубок можно модифицировать химическими способами, что позволяет переводить их в растворимое состояние. Нанотрубки способны образовывать комплексы с биологически активными молекулами – белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами. Эти вещества могут адсорбироваться на поверхности трубок или соединяться с ними, что позволяет использовать нанотрубки в системах доставки лекарств, генов и антигенов. Благодаря высокой удельной поверхности нанотрубки можно использовать как подложку для гетерогенных катализаторов.

Создан миниатюрный водородно-кислородный источник тока нового поколения для переносных устройств, в котором нанотрубки в виде агрегатов размером около 100 нм входят в состав электродов, где выполняют роль подложки для катализатора. Энергоемкость нового источника в 10 раз превышает емкость литиевых батарей.

Есть у них и минусы: из-за высокой реакционной способности наночастиц они могут необратимо реагировать с электролитом и ухудшать свою структуру. Уникальные электронные свойства нанотрубок находят применение в диодах, транзисторах, электронных пушках и зондовых микроскопах.

Механическая прочность нанотрубок используется в композитных материалах, из которых можно изготавливать сверхлегкие и сверхпрочные ткани для одежды пожарных и космонавтов.

 Перечислить все возможные области применения нанотрубок нелегко – их уже очень много.

Сейчас основная задача исследователей – создать такие технологии, которые позволят получать однородные нанотрубки заданных размеров и формы.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: