ТЕМА: Наноматеріали

 Основи нанотехнологій, як вважає значне число експертів, заклав лауреат Нобелівської премії Р. Фейнман у 1959 р. Відлік почався із засідання Американського фізичного товариства, де Р. Фейнман прочитав свою лекцію «Там, унизу, є багато вільного місця».

Що мається на увазі? Ідеться про проблему контролю й управління будовою речовини в інтервалі дуже малих розмірів.

Нанотехнології — технології, що розроблені для об’єктів із розмірами, меншими за один мікрон, і дають змогу проводити дослідження, маніпуляції та обробку речовин у діапазоні розмірів від 0,1 до 100 нанометрів.

Основою наноматеріалів є наночастинки, розміри яких у мільярд разів менші від 1 м, або в мільйон разів менші від 1 мм. Наночастинка у стільки ж разів менша від лінійки завдовжки 1 м, у скільки разів товщина пальця менша від діаметра Землі. Більшість атомів мають діаметр від 0,1 до 0,2 нм. Найменші молекули мають розмір близько 1 нм.

Наноматеріал — це не один «універсальний» матеріал, чи просто дуже дрібні («нано») частинки, а великий клас різних матеріалів. Сучасна наука класифікує такі види наноматеріалів: наночастинки; фулерени; нанотрубки та нановолокна; нанопористі структури (речовини); нанодисперсії; наноплівки; нанокристалічні матеріали. Прикладом наноматеріалів є вуглецеві нанотрубки.

У 1991 р. японський учений Суміо Ііджима виявив довгі вуглецеві структури, які одержали назву нанотрубок. Нова молекулярна форма вуглецю відкрила цілу серію нових і несподіваних фізичних, механічних і хімічних властивостей. Ці унікальні властивості зробили нанотрубки ключовим елементом нанотехнологій. Нанотрубки можуть використовуватися для виготовлення молекулярних електронних пристроїв, нанотранзисторів й елементів пам’яті обчислювальних пристроїв. Вуглецеві нанотрубки набагато міцніші за графіт, хоча складаються з таких самих атомів Карбону. Ви вже знаєте, що в графіті атоми Карбону розташовані пошарово. Проте вам також відомо, що згорнутий у трубочку аркуш паперу набагато складніше зігнути й розірвати, ніж звичайний аркуш. Ось чому нанотрубки мають таку міцність. Завдяки унікальним механічним властивостям нанотрубок можна виготовляти вуглецеві матеріали надзвичайної міцності для автомобільної й аерокосмічної промисловості.

Ще однією формою з’єднання молекул вуглецю є фулерени, які являють собою опуклі замкнуті багатогранники, складені з парного числа атомів вуглецю. Своєю назвою ці сполуки зобов’язані інженеру та дизайнеру Річарду Фуллеру.  Фулерен — винятково стійке з’єднання. У кристалічному вигляді він не реагує з киснем повітря, стійкий до дії кислот і лугів. Фулерен має змогу утворювати сполуки, використовуючи внутрішню порожнину вуглецевої кулі, діаметр якої достатній, щоб у ній міг розміститися атом металу чи невелика молекула. Отже, відкривається шлях до одержання хімічних сполук зовсім нового типу, де атом механічно утримується всередині замкненого середовища.

Одним з методів, що використовується для вивчення нанооб’єктів, є скануючо-зондна мікроскопія. За допомогою скануючо-зондного мікроскопа можна не тільки побачити окремі атоми, а й вибірково впливати на них, зокрема, переміщувати атоми по поверхні. Ученим уже вдалося створити двовимірні наноструктуры на поверхні, використовуючи цей метод. Наприклад, у дослідницькому центрі компанії з дослідження наноматеріалів, послідовно переміщаючи атоми Ксенону по поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти логотип компанії, використовуючи 35 атомів Ксенону.

Практичне використання наноматеріалів. У найближчі роки прогнозується прискорений розвиток нанотехнологій та виготовлення й використання нових наноматеріалів, що забезпечить істотні зміни в таких галузях промисловості, як машинобудування, оптоелектроніка, мікроелектроніка, автомобільна промисловість, а також сільське господарство, медицина та екологія.

Завдяки специфічним властивостям наночастинок наноматеріали перевищують «звичайні» за багатьма параметрами. Наприклад, міцність металу, одержаного за допомогою нанотехнологій, перевищує міцність звичайного в 1,5-3 рази, стійкість до корозії більша в 10-12 разів, крім того, такий метал є у 50-70 разів твердішим за звичайний.

Створення нанопорошків дозволить одержувати керамічні матеріали, надпровідники, сонячні батареї, фільтри та багато інших технічних засобів з новими фізичними та хімічними властивостями. Нанотехнології дають змогу створювати матеріали із самоочисними, водовідштовхувальними та іншими корисними властивостями.

Підбиваємо підсумки

- Наноматеріалами називають матеріали, основні фізичні характеристики яких визначаються властивостями нанооб’єктів, що містяться в них. Це кристалічні або аморфні системи, розмір частинок яких менший від 100 нм.

- Сучасна наука класифікує такі види наноматеріалів: наночастинки; фулерени; нанотрубки та нановолокна; нанопористі структури (речовини); нанодисперсії; наноплівки; нанокристалічні матеріали.

Дом.завдання: опрацювати конспект