Особенности наноматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Наноматериалы - это материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Следует отметить, что наряду с термином наноматериалы, который к настоящему времени получает все более широкое применение, получили распространение также равноправные термины «ультрадисперсные материалы», «ультрадисперсные системы» и «наноструктурные материалы» (в западных источниках).

При этом нанометровый масштаб размеров может относиться как к образцу материала в целом, так и к его структурным элементам. Соответственно, в первом случае нанообъектами является непосредственно образцы материалов, во втором - их структурные элементы. Наноматериалы, также как и обычные материалы, могут находиться в различных агрегатных состояниях. На практике наибольшее распространение находят твердотельные наноматериалы.

С понятием «наноматериалы» тесно связано понятие «наносистемы».

Наносистема - система, содержащая структурные элементы размером порядка 1-100 нм, определяющие ее основные свойства и характеристики в целом. К разряду наносистем относятся, в том числе, наноустройства и наноматериалы.

В практической деятельности особо важную роль играют функциональные системы, т.е. такие системы материальных объектов, которые используются или пригодны к использованию для решения практических задач и, соответственно, обладают функциональными свойствами, определяющими области их практического применения.

Функциональные наносистемы подобно наноматериалам характеризуются нанометровым масштабом размеров хотя бы в одном из трех измерений. Свойства функциональных наносистем, также как и свойства наноматериалов, могут проявляться весьма необычным образом в силу присущего им нанометрового масштаба размеров.

Наночастица -- изолированный твердофазный объект, имеющий отчетливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм.

наноматериал кристаллический биомолекула

1. Классификация наноматериалов

Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурные материалы (рис. 1).

Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

К наночастицам относятся:

- Нанокластеры - разновидность наночастиц, представляющая собой аморфную или поликристаллическую наноструктуру, хотя бы один характерный размер которой находится в пределах 1-10 нм. 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;

- Нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями - подобно массивным кристаллам (макрокристаллам).

- Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащее классу аллотропных форм углерода (аллотропия - существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур) и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода;

- Нанотрубки - протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров. Известны различные типы нанотрубок, из которых наиболее распространенным являются углеродные нанотрубки: одно- и многостенные, состоящие из одной или нескольких гексагональных графитовых (графеновых) плоскостей, свернутых в кольцо.

Рис. 1. Классификация наноматериалов по структурным признакам

- Супермолекулы - это наноструктуры состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

- Биомолекулы, представляют собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки); мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;

- Липосомы - сферические частицы, состоящие из молекул особых органических соединений - фосфолипидов

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Наноструктурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наночастиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.

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:

- Нанокристаллические материалы - это одно или многофазные поликристаллы состоящие из нанокристаллов с размером зерна от 1 до 15 нм;

- Фуллериты -- это молекулярные кристаллы, в узлах решётки которых находятся молекулы фуллерена;

- Фотонные кристаллы, это наноматериалы, структура которых характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях;

- Слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки)- это периодические структуры, состоящие из тонких чередующихся в одном направлении слоев полупроводников

- Матричные нанокомпозиты - это структуры, состоящие из твердофазной основы - матрицы, в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);

- Нанопористые материалы - материалы характеризующиеся наличием нанопор;

- Наноаэрогели, содержат 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:

Нанопорошки, твердые порошкообразные веществ искусственного происхождения, содержащие нанообъекты, агрегаты или агломераты наообъектов либо их смесь;

Наносуспензии - это взвеси нанопорошков в жидкостях. Наносуспензи с размерами частиц менее 100 нм также называются коллоидными растворами, или золями. Дисперсная фаза наносуспензий помимо твердых наночастиц может состоять из мицелл.

Наноэмульсии - взвеси в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда являются взаимно нерастворимыми или плохо растворимыми жидкостями, причем дисперсная фаза образована наноразмерными капельками.;

Наноаэрозоли, состоящих из наночастиц или нанокапель, свободно распределенных в объеме газообразной среды.

Размещено на Allbest.ru