Наноматериалы, их получение и применение

Курсовая работа

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.

15 стр., 7359 слов

Особенности получения новых материалов с применением нанотехнологий

... Общая характеристика Структура и соответственно свойства наноматериалов формируются на стадии их изготовлёния. ... государственного управления и т.д. Нанотехнология сформировалась на основе революционных ... сконденсировавшиеся наночастицы в специальный порошковый сборник, разгрузка которого ... на существенный прогресс в развитии других направлений науки ... революции последней трети 20 века. Все это ставит ...

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).

9 стр., 4304 слов

Измерение функции распределения атомов серебра методом Штерна-Ламмерта

... распределения скоростей молекул Максвелла.) 1.1 Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема установки Для постановки опыта по измерению средней скорости движения молекул О. Штерн спроектировал специальную установку. Прибор состоял ...

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

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

  1. 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;
  2. 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).

  3. фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде сфероподобного каркаса;
  4. нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;
  5. супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;
  6. биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);
  7. мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;
  8. 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.

4 стр., 1594 слов

Новые материалы в электронике

... делают этот материал более интересным в области электроники, чем графен. Подобно графену, графин так же состоит из атомов углерода, соединенных в кристаллическую решетку толщиной в один атом. Различие между этими материалами заключается в том, ...

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: