Наноструктурированные материалы и нанотехнологии. Современное состояние, проблемы и перспективы (реферат препринта № 22) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 541.16

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

В.И. Вигдорович1, С.В. Мищенко2, А.Г. Ткачев3

Кафедры: «Химические технологии органических веществ» (1),

«Автоматизированные системы и приборы» (2), «Техника и технология машиностроительных производств» (3), ГОУВПО «ТГТУ»

Реферат препринта № 22

Ключевые слова и фразы: нановолокна; нанометаллы; нанопленки; на-ноструктурированные материалы; нанотехнологии; реакционная способность; самоорганизация; углеродные нанотрубки; фуллерены.

Аннотация: Рассмотрены теоретические аспекты и практика получения наноструктурированных материалов, существующие и потенциальные технологии их применения. Изложены вопросы синтеза и использования наноструктуриро-ванных металлов, их производных, фуллеренов, наноуглеродных трубок и волокон, их химические свойства и реакционная способность.

Рассмотрены теоретические аспекты проблемы, в частности, энтропийный фактор применительно к изолированным, закрытым и открытым системам. Последние, способные обмениваться с окружающей средой веществом и энергией, всегда неравновесны. Характеристика их эволюции связана с производством и потоком энтропии - понятиями неравновесной термодинамики. Эволюция таких систем проиллюстрирована независимостью величины обобщенного потока от движущей силы процесса (энергия Гиббса в химических превращениях). При сравнительно малом отклонении от равновесия эта зависимость линейна, а поведение системы строго детерминировано.

Рассмотрены оптимальные условия синтеза наноматериалов, требующие учета определенности и воспроизводимости исходного состояния, влияния степени неравновесности и длительности пути на детерминированность поведения систем. Изложено современное понимание природы порогового размера частиц как фактора, обусловливающего скачкообразное изменение свойств вещества.

Дана классификация наноструктурированных материалов по размерному фактору (нуль- (0Б), одно- (Ш), двух- (2Б) и трехмерные (3Б)), пояснена структурная природа каждого типа. Подробно изложены методы получения наночастиц из коллоидных растворов, размерные эффекты для подобных систем, в частности, влияние радиуса кривизны межфазной поверхности на свойства частиц, связь этой величины с краевым углом смачивания. Рассмотрены особенности самоорганизации на межфазных поверхностях, физико-химические свойства ансамблей наночастиц (электронные, оптические, магнитные и др.). Представлена нанохимия металлов, формирующихся в коллоидных средах, протекание реакций в реак-

торах на базе мицелл, эмульсий и дендримеров, в том числе с образованием моно-, би- и триметаллических частиц.

Отдельный раздел посвящен углеродным нанотрубкам: одно- (ОУНТ), двух-(ДУНТ) и многослойным (МУНТ). Отмечается, что присоединение различных функциональных групп в результате образования ковалентной связи меняет электронные свойства ОУНТ - ведет к неустойчивости их функционализации и солюбилизации. Но, с другой стороны, позволяет управлять их функциональными характеристиками. В ДУНТ присоединение функциональных групп идет по внешней оболочке, а электронные свойства внутренних оболочек не меняются, что стабилизирует функциональные характеристики. В категорию МУНТ входят образования с 10 < 0МУНт £ 60 нм.

Рассмотрены разновидности получения углеродных нанотрубок и подобных волокон: с катализатором на носителе, с летучим катализатором, влияние природы и состава катализатора, прежде всего, металлов группы железа. Изложены условия получения нановолокон в опытно-промышленном реакторе и характеристики получаемых формирований: удельная поверхность (~ 70 м2/г), суммарная пористость (52 %), диаметр (20 - 40 нм), длина (2 и более мкм), сорбционная емкость по парам бензола (0,07 см3/г) и водороду (4,8 мас. %).

Подробно рассмотрено аккумулирование водорода графитовыми нанострук-турированными трубками и волокнами, как один из путей создания аккумуляторов для решения ряда проблем водородной энергетики. Изложено влияние путей синтеза таких аккумуляторов и способов насыщения их водородом (повышенное давление, изменение межтрубного пространства, электрохимическое выделение на нанокатоде) на сорбционную емкость и аспекты сорбции водорода в результате восстановления фуллеренов до гидрофуллеренов.

На примере строения двойного электрического слоя и электрокатализа рассмотрены размерные эффекты в электрохимии.

Изложены пути образования неуглеродных нанотрубок (В-С-Ы-системы, дихалькогенидные и оксидные нанотубулены, слоистые структуры на основе дихлорида никеля).

Nano-Structural Materials and Nano-Technologies. Present-Day State, Problems and Possibilities

V.I. Vigdorovich, S.V. Mishchenko, A.G. Tkachev

Department: “Chemical Technology of Organic Substances ” (1), “Automated Systems and Devices” (2), “Technics and Manufacturing Engineering Production” (3), TSTU

Key words and phrases: carbon nano-tubes; fullerenes; nano-fibers; nanofilms; nano-metals; nano-structural materials; nano-technologies; reacting power; selforganization.

Abstract: Theoretical and practical aspects of nano-structural materials production as well as existing and potential technologies and their application are considered. Matters of synthesis and application of nano-structural materials, their derivatives, fullerenes, nano-carbon tubes and fibers, their chemical properties and reacting power are represented.

Nanostrukturierte Stoffe und Nanotechnologien. Gegenwärtiger Zustand des Problems und die Perspektiven

Zusammenfassung: Es sind sowohl die theoretischen Aspekte und die Praktik des Erhaltens der nanostrukturierten Stoffe als auch die existierenden und potentiellen Technologien ihrer Anwendung betrachtet. Es sind die Fragen der Synthese und der Verwendung der nanostrukturierten Stoffe, ihrer Derivate, Fullerene, Nano-kohlenstoffröhre, ihre chemische Eigenschaften und die Reaktionsfähigkeit dargelegt.

Matériaux nanostructurés et nanotechnologies. Etat moderne, problèmes et perspectives

Résumé: Sont examinés les aspects théoriques et la pratique de l’obtention des matériaux nanostructurés existants ainsi que les possibilités potentielles de leur emploi. Sont mentionnés les problèmes de la synthèse des métaux nanostructurés, de leurs dérivés, des fullérènes, des tubes nanocarbonnées et des fibres, leurs propriétés physiques et leur capacité de réaction.