Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

Москва 2007

УДК 539.2: 621.3.049.77

ББК

Рецензенты: докт. физ.-мат. наук С.А.Рашковский

докт. физ.-мат. наук В.Т. Заболотный

Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов

НАНОМАТЕРИАЛЫ. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения.

Учебное пособие

Рассмотрены история развития представлений о наноматериалах и нанотехнологиях, современное состояние и перспективы развития. Дан обзор основ классификации наноматериалов и типов их структур, а также особенности свойств и основные направления использования наноматериалов. Дан подробный обзор основных технологий получения наноматериалов (нанопрошки, объемные материалы, пленочные технологии). Предназначено для студентов старших курсов и аспирантов, обучающихся по специальностям: «Материаловедение и технологии новых материалов», «Металловедение и термическая обработка металлов», «Материаловедение в машиностроении», «Порошковая металлургия и композиционные материалы», «Физика конденсированного состояния», «Металлофизика и металловедение». Может быть полезно также для научных работников, преподавателей и инженерно-технических работников, специализирующихся в области наук о материалах, физики и химии конденсированного состояния.

Рекомендовано к изданию Ученым советом Международного университета природы, общества и человека «Дубна» Филиал «Угреша».

ã Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов

ã Международный университет природы, общества и человека «Дубна» Филиал «Угреша».

ВВЕДЕНИЕ

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

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

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 интеграция 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 революционным 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).

Такие перспективы требуют оперативного внедрения в образовательные программы дисциплин, необходимых для подготовки специалистов, способных эффективно и на современном уровне решать фундаментальные и прикладные задачи в области наноматериалов и нанотехнологий.

Данная книга преследует цель ознакомить студентов и специалистов в области наук о материалах и физики конденсированного состояния с основными представлениями о наноматериалах, их структуре и свойствах, технологиях их получения и обработки и методах их исследования.

1. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ – ИСТОРИЯ, СОВРЕМЕННОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Над возможностью разработки нанотехнологий и создания наноматериалов люди стали задумываться достаточно давно. Так, древнеримский поэт и ученый Тит Лукреций Кар в своем произведении “О природе вещей” (I, 440) вводит понятия о «первоначалах вещей», складывая и сочетая которые можно получать различные вещества с различными свойствами: «Первоначала вещей, как теперь ты легко убедишься, лишь до известных границ разнородны бывают по формам. Если бы не было так, то тогда непременно иные были б должны семена достигать величин необъятных. Ибо, при свойственных им одинаково малых размерах, не допускают они и значительной разницы в формах.». Мысли об использовании отдельных сверхмелких частиц для создания нужных предметов и материалов приходили в голову, как средневековым алхимикам, так и выдающимся ученым 17-18 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 производства «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 [2-4]. В современном научно-методическом плане на возможность создания новых материалов путем сборки малоразмерных объектов (атомов, молекул или их групп) указал нобелевский лауреат Р. Фейнман в 1959 г. [1].

Термин «нанотехнология» впервые предложил японец Н. Танигучи в 1974 г. [2, 3]. 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, указал немецкий ученый Г. Глейтер в 1981 г. [5-7]. Он же и независимо от него отечественный ученый И.Д. Морохов ввели в научную литературу представления о нанокристаллах [6-8]. Позднее Г. Глейтер ввел в научный обиход также термины нанокристаллические материалы, наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные и т. д. [9-11].

В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается [6-8, 12]. 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, ретгеновксие 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 [8, 12, 13].

Дополнительные капиталовложения в наноструктурные исследования для медико-биологического и химико-фармацевтического применения сравнимы с дополнительными вложениями средств на аналогичные исследования в области электроники [14]. В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки. Так, в 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по сравнению с 2000 г. в 2, 5 раза и достигло в 2003 г. 710, 9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планируется выделить еще 3, 7 млрд долл. Аналогичные программы приняты уже более чем в тридцати странах мира, в том числе Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран (рис. 1.1) [14-17]. В 2001 бюджетном году реальный бюджет Национальной нанотехнологической

Рис. 1.1 Государственные расходы на развитие нанотехнологий в различных странах [16, 17]

Рис. 1.2 Количество статей, затрагивающих проблематику наноматериалов и нанотехнологий в 1999-2000 гг. по данным Science Citation Index (США) [4].

инициативы США составил 465 млн дол., а расходы стран Западной Европы - около 270 млн долл.[15-17]. Новейшие открытия в этой области затрагивают важнейшие проблемы физики, биологии и техники.

Достаточно показательным фактом является очень большая доля научных публикаций, приходящихся на публикации, затрагивающие проблематику наноматериалов и нанотехнологий. Полностью эту долю определить довольно сложно, так как по разным данным только за несколько последних лет опубликовано порядка 15-25 тысяч статей по данной проблематике. Однако некоторое представление могут дать данные по определяемому в США т.н. «индексу цитируемости» (Science Citation Index) за 1999-2000 гг. (рис. 1.2) [4].

Промышленные круги постепенно убедились в том, что нанотехнология создает новые возможности для развития бизнеса и конкуренции. В соответствии с существующими прогнозами мировой объем производства в области нанотехнологий через 10–15 лет должен превысить 1 трлн долларов, что приведет к созданию 2 млн новых рабочих мест [18].

Особенностью современного этапа зарубежной науки о наносостоянии являются [14-15] высокий технологический уровень исследований,

Таблица 1.1 Примеры учебных курсов по нанонауке и нанотехнологии, предлагаемых некоторыми университетами и институтами США [15-19].
Название курса	Организация (лектор)
Нанокурс	Корнеллский университет (А. Кларк, М. Исааксон)
Курс нанотехнологии для студентов университетов и двухгодичных колледжей	Пенсильванский университет (С.Дж. Фонаш)
Получение нанополупроводников	Калифорнийский университет, Лос-Анджелес (Дж.П. Чанг)
Перспективные квантовые устройства	Университет Нотр-Дам
Нанотехнология	Вирджинский университет (М. Эль-Шалл)
Новые технологии	Висконсинский университет, Мэдисон (Р. Хамерс)
Наноструктурные материалы	Ренселерский политехнический институт (Р. Сигел)
Получение наночастиц и наноматериалов методами коллоидной химии	Университет Кларксон (Дж.Н. Фендлер)
Процессы с участием наночастиц	Йельский университет (Д. Рознер)
Наноробототехника	Южнокалифорнийский университет (С. Реквиша)
Химия и физика наноматериалов	Вашингтонский университет (Й. Хиа)
Сканирующая микроскопия и нанофизика	Университет Клемсон (Д. Корелл)
Нанопроизводственные процессы	Университет Арканзаса (А.П. Мальш)
Нанонаука и нанотехника	Пурдю университет

тщательная характеристика полученных веществ по составу и структуре, обеспечение высокой селективности по размеру наночастиц, защита поверхности наночастиц от примесей. За рубежом основное направление наноструктурных исследований уже почти полностью сместилось от изучения и применения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии, т. е. создания изделий и устройств с наноразмерными элементами. Основные области применения наноразмерных элементов — это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология. В последних трех областях проводимые сейчас исследования еще недавно выглядели фантастикой - это создание микронасосов и микросредств для доставки лекарств непосредственно к больным клеткам того или иного органа и других искусственных биологических наноструктур разного функционального назначения.

В России интенсивные исследования наноматериалов начались с запозданием на 3-5 лет. При этом если по фундаментальным исследованиям Россия пока не очень сильно отстает от развитых стран, то по приборному обеспечению и технологиям отставание уже велико [8, 13-15].

Необходимо отметить, что ознакомление с вопросами наноматериалов и нанотехнологий имеет особую важность именно для подготовки специалистов, связанных с науками о материалах. Это обусловлено междисциплинарным характером проблемы развития нанотехнологий [6, 7, ].

В развитых странах считается [15-19], что одним из важнейших условий быстрого и успешного развития нанотехнологии является разработка учебных курсов и программ, которые позволяют профессионально подготовить новое поколение исследователей, инженеров и рабочих, способных работать в этой новой, достаточно сложной и мультидисциплинарной области науки и техники. В табл. 1.1. перечислены некоторые образовательные курсы и программы по нанонауке и нанотехнологии, уже включенные в учебные планы университетов США и рассчитанные на студентов и аспирантов. Ключевую роль в финансировании программ образования и профессиональной подготовки в областях, прямо или косвенно связанных с нанотехнологиями, и мероприятий в США играет Национальный научный фонд совместно с Министерством обороны, Национальным институтом стандартов и технологии, Национальным институтом здоровья и рядом других федеральных агентств [19].

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒