CC BY
5
УДК 620.3
КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
© 2024 Д. В. Костин
студент, направление 11.03.04 - Электроника и наноэлектроника
e-mail: [email protected]
Курский государственный университет
В статье описаны основные виды наноматериалов и их особенности, а также пр менение этих материалов в различных отраслях производства.
Ключевые слова: наночастица, наноразмерная частица, наноразмерность, нанокристаллические материалы, кристаллиты, классификация наноматериалов, наноматериалы.
CLASSIFICATION OF NANOMATERIALS © 2024 D. V. Kostin
Student, 03.11.04 - Electronics and Nanoelectronics e-mail: [email protected]
Kursk State University
The article describes the main types of nanomaterials and their features, as well as describes the applications of these materials in various industries.
Keywords: nanoparticle, nanoscale particle, nanoscale, nanocrystalline materials, crystallites, classification of nanomaterials, nanomaterials.
Классификация наноматериалов - актуальная тема, связанная с углубленным изучением и развитием области нанотехнологий. Наноматериалы обладают уникальными свойствами и характеристиками, которые зависят от их размера, структуры и химического состава. В статье представлена классификация наноматериалов, основанная на различных научных статьях и соответствующей литературе.
Под наноструктурированными (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными, нановолоконными и т.д.) материалами понимаются материалы, в которых размеры основных структурных элементов (кристаллитов, волокон, слоев, пор) не превышают 100 нм, по крайней мере, в одном направлении. Объекты размером от 0,1 нм (порядка размеров отдельных атомов) до 100 нм (порядка размеров крупных молекул) являются предметом изучения нанотехнологий, которые стремительно развиваются в последние несколько десятилетий. Наноразмерные материалы практически не имеют дефектов и поэтому сильно отличаются по свойствам от соответствующих макроматериалов, механическая прочность на разрыв нитевидных кристаллов-усиков практически близка к теоретической, независимо от химической природы кристалла и метода его выращивания. Уникальные свойства наноструктурированных материалов (наноматериалов) определяют поиск областей их практического применения. Таким образом, разработка и исследование наноматериалов является актуальной проблемой современного материаловедения и технологии [1; 2].
Далее будут приведены основные классификации наноматериалов с их особенностями.
По размерности структурных элементов (рис. 1)
Наноструктуры представляют собой материалы с размерами в нанодиапазоне, обычно от 1 до 100 нанометров (нм). Их можно разделить на одномерные (Ш), двухмерные (2D) и трехмерные (3D) структуры в зависимости от их формы и размерности. К нульмерным наноматериалам относят нанокластерные материалы и нанодисперсии (суспензии, коллоидные растворы), то есть такие материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга [3].
К одномерным наноматериалам относят нановолоконные (нанопрутковые) и нанотубулярные материалы. Причем длина волокон (прутков) или трубок может составлять от 100 нм до десятков микрометров. Двумерные наноструктуры, также известные как двумерные наноматериалы, представляют собой материалы с двумя размерами в нанодиапазоне. Двумерные наноструктуры обладают уникальными свойствами благодаря своим размерам и большой площади поверхности. К трехмерным наноматериалам относят: порошки, волоконные, многослойные и поликристаллические материалы, в которых 0D, Ш и 2D частицы плотно прилегают друг к другу, образуя между собой поверхности раздела - интерфейсы. Важным примером трехмерного наноматериала является поликристалл с нанометровым размером зерен [4].
Рис. 1. Типы нанокристаллических материалов по размерности структурных элементов [5]
По форме кристаллитов
В зависимости от химического состава кристаллитов можно выделить четыре группы наноструктурированных материалов. Самый простой вариант с одинаковым химическим составом кристаллитов и границ раздела включает, например, слоистые поликристаллические полимеры или чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой первой группы. Вторая группа состоит из наноструктурированных материалов с кристаллитами, имеющими различный химический состав, например, многослойные структуры. В материалах третьей группы химический состав зерен и границ раздела различен. Материалы, в которых присутствуют наноразмерные выделения (слои, волокна или равноосные кристаллиты), представляют четвертую группу. В эту группу входят дисперсно-упрочненные сплавы.
Согласно геометрической классификации Р. Зигеля (рис. 2), можно выделить нанодисперсии (атомные кластеры и наночастицы), многослойные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объемные наноструктурные материалы. Нанодисперсии состоят из однородной среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твердое тело) и наноразмерных включений, распределенных в этой среде и изолированных одно от другого. Расстояние между включениями может составлять от десятков до долей нанометров (для нанопорошков) [6].
Кластеры
OD
Нанотрубки, волокна, стержни
1D
Поликристаллы
3D
Рис. 2. Классификация наноматериалов по структуре и химическому составу [6]
Согласно 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.), выделяют также следующие типы наноматериалов (рис. 3):
Н А Н О М А Т Е Р И А Л Ы
НАНОЩЦЕЛИЯ характерный размер не более 100 нм
■ нанопорошки
■нанопро в о л оки
■ нзщгаолоквз
■ тонкие пленки ■нанотруоки
Ж
МАССИВНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ характерный размер оолее 1-2 мм
однофазные (мнжро структурно однородные)
многофазные (мнкроструктурно неоднородные)
МИКРОИЗДЕЛИЯ характерный размер не более 1—2 мм
-проволоки -ленты - фольги
■ стекла -гелн
■ пересыщенные твердые растворы
Т
сложные сплавы н разные вилы керамики
КОМПОЗИТЫ С КОМПОНЕНТАМИ т НАНОМАТЕРИАЛОВ
с нан о изделиями
-с няноча сгнцамн -с нановоложнами -с иоииомолифи-пированнон поверхностью
с ынкроизделнямн
- с наноструктур-иыми волокнами и/нли частицами с наноструктур-иымн покрыгаями или слоями
СО СЛОЖНЫМ
сочетанием компонентов
Рис. 3. Классификация материалов согласно международной конференции [7]
К первой категории относятся материалы в виде твердых тел, размеры которых в одной, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм:
наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.д. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких слоев (для пленки). В связи с этим к первой категории можно отнести наноматериалы с небольшим количеством структурных элементов или наноматериалы в виде наноустройств.
Ко второй категории относятся материалы в виде малогабаритных изделий с характерным размером в приблизительном диапазоне от 1 микрона до 1 мм. Обычно это проволока, ленты, фольга. Такие материалы можно классифицировать как наноматериалы с большим количеством структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.
Третья категория состоит из массивных (или, другими словами, объемных) наноматериалов, размеры изделий из которых находятся в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого количества наноэлементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерен 1-100 нм.
В свою очередь, третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса. К первому классу относятся однофазные материалы (в соответствии с терминологией, микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых различаются по объему материала только на атомарном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии, далеком от равновесного. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу относятся микроструктурно гетерогенные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов [7; 8].
Основные области применения наноматериалов
В качестве наглядного примера мы можем указать на некоторые области применения наноматериалов на основе печатных материалов последних лет. Естественно, этот обзор областей применения наноматериалов ни в коей мере не является полным, однако он может дать нужное представление о перспективах использования наноматериалов [9].
Компьютеры и микроэлектроника
Нанокомпьютер - это вычислительное устройство, основанное на электронных (механических, биохимических, квантовых) технологиях, с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разработанный на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры.
ДНК-компьютер - это вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления - это собирательное название различных методов, так или иначе связанных с ДНК или РНК. В ДНК-расчетах данные представлены не в виде нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, основанной на спирали ДНК. Роль программного обеспечения для считывания, копирования и управления данными выполняют специальные ферменты
[9].
Ядерная энергетика
В США и, возможно, в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO2, а в термоядерной технике используются мишени для лазернотермоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины
или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды [10].
Военное дело
Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий для самолетов, созданных с применение технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем противника (т.н. «графитовая бомба») [11] .
Итак, в статье были рассмотрены классификации наноматериалов по различным признакам и особенностям на основе современных научных исследований. Также представлены основные перспективные отрасли применения наноматериалов на данный момент.
Библиографический список
1. Андриевский, Р. Л. Наноструктурные материалы: учебное пособие / Р. А. Андриевский, А.В. Рагуля. - Москва: Академия, 2005.
2. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения / Б. М. Балоян, А.Г. Колмаков, М. И. Алымов, А. М. Кротов. -Москва, 2007. - 125 с.
3. Перевалова, Е. В., Прокофьева, Е. В., Давлетова, О. А. Нанотубулярные композиты и их полуэмпирические исследования // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2006. - № 2. - С. 4-14.
4. Ремпель, А.А. Материалы и методы нанотехнологий: учебное пособие / А. А. Ремпель, А. А. Валеева. - Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2015. - 136 с.
5. Типы нанокристаллических материалов по размерности структурных элементов // ResearchGate [Электронный ресурс]. - URL: https://www.researchgate.net/post/For-a-sample-composed-of-a-film-homogeneously-mineralized-with-HAp-as-what-type-of-nanomaterial-could-it-be-considered-as-a-0D-2D-or-3D (дата обращения: 20.09.2024).
6. Матренин, С. В., Овечкин, Б. Б. Наноструктурные материалы в машиностроении. - Томск: Томский политехнический университет, 2009. - 186 с.
7. Классификация наноматериалов // Мир современных материалов [Электронный ресурс]. - URL: https://worldofmaterials.ru/spravochnik/special-materials/451-klassifikatsiya-nanomaterialov (дата обращения: 21.09.2024).
8. Шашок, Ж. С. Применение углеродных наноматериалов в полимерных композициях / Ж.С. Шашок, Н.Р. Прокопчук. - Минск: БГТУ, 2014. - 232 с.
9 Нанотехнологии и области их применения // Intalent [Электронный ресурс]. -URL: https://intalent.pro/article/nanotehnologii-i-oblasti-ih-primeneniya.html (дата обращения: 21.09.2024).
10. Что такое нанотехнологии и где они используются // совкомблог [Электронный ресурс]. - URL: https://journal.sovcombank.ru/tehnologii/chto-takoe-nanotehnologii-i-gde-oni-ispolzuyutsya (дата обращения: 21.09.2024).
11. Технологии наноматериалов // eti.su [Электронный ресурс]. - URL: https://eti.su/articles/over/over_1691.html (дата обращения: 21.09.2024).
