НАНОМАТЕРИА́ЛЫ

НАНОМАТЕРИА́ЛЫ, со­сто­ят из час­тиц или со­дер­жат час­ти­цы, хо­тя бы од­но из­ме­ре­ние ко­то­рых (диа­метр сфер и ци­лин­д­ров, тол­щи­на пла­стин) не пре­вы­ша­ет 100 нм. Н. мо­гут быть по­рош­ко­об­раз­ны­ми, кон­со­ли­ди­ро­ван­ны­ми (на­но­ст­рук­ту­ри­ро­ван­ные ма­те­риа­лы и на­но­ком­по­зи­ты). По фор­ме час­тиц по­рош­ко­об­раз­ные Н. под­раз­де­ля­ют­ся на изо­мет­рич­ные, пла­стин­ча­тые и ни­те­вид­ные (на­нос­терж­ни, на­но­во­лок­на, на­нот­руб­ки). Не­ко­то­рые Н. со­сто­ят из час­тиц слож­ной фор­мы (тет­ра­по­ды ок­си­да цин­ка, спи­раль­ные уг­ле­род­ные на­нот­руб­ки). По­рис­тые Н. име­ют по­ры диа­мет­ром до 100 нм и вклю­ча­ют, в ча­ст­но­сти, тре­ко­вые мем­бра­ны, мем­бра­ны из ок­си­да алю­ми­ния, фо­тон­ные кри­стал­лы и не­ко­то­рые при­род­ные и ис­кусств. кри­стал­лы (напр., це­о­ли­ты). К Н. от­но­сят так­же кла­сте­ры, кван­то­вые точ­ки, кван­то­вые про­во­ло­ки и кван­то­вые стен­ки.

Свой­ст­ва Н. мо­гут силь­но от­ли­чать­ся от свойств обыч­ных ма­те­риа­лов то­го же со­ста­ва, что свя­за­но с боль­шой до­лей по­верх­но­ст­ных сло­ёв и вы­со­ким вкла­дом по­верх­но­ст­ной энер­гии, а так­же с из­ме­не­ни­ем элек­трон­но­го строе­ния при пе­ре­хо­де к на­но­мет­ро­вым раз­ме­рам. Бла­го­да­ря про­яв­ле­нию раз­мер­но­го эф­фек­та ме­ня­ют­ся та­кие фун­дам. ха­рак­те­ри­сти­ки, как темп-ра плав­ле­ния, те­п­ло­ём­кость, эн­таль­пия и эн­тро­пия об­ра­зо­ва­ния, оп­тич. и маг­нит­ные свой­ст­ва, а так­же транс­порт­ные свой­ст­ва (в ча­ст­но­сти, те­п­ло- и элек­тро­про­вод­ность). На­но­ча­сти­цы мо­гут иметь кри­стал­лич. струк­ту­ру, не ха­рак­тер­ную для мас­сив­ных ве­ществ, или от­ли­чаю­щие­ся па­ра­мет­ры кри­стал­лич. ре­шёт­ки. Мень­шая плот­ность де­фек­тов струк­ту­ры у Н. при­во­дит к улуч­ше­нию ря­да ме­ха­нич. ха­рак­те­ри­стик.

На­но­ком­по­зи­ты клас­си­фи­ци­ру­ют по со­ста­ву мат­ри­цы на по­ли­мер­ные, ке­ра­ми­че­ские и ме­тал­ли­че­ские. Вы­де­ля­ют так­же гиб­рид­ные на­но­ком­по­зи­ты, со­дер­жа­щие, напр., био­мо­ле­ку­лы. Соз­да­ют­ся на­но­ком­по­зи­ты слож­но­го со­ста­ва и строе­ния, в ча­ст­но­сти из ори­ен­ти­ро­ван­но уло­жен­ных уг­ле­род­ных во­ло­кон или стек­ло­во­ло­кон, уг­ле­род­ных на­но­тру­бок и по­ли­мер­но­го свя­зую­ще­го. До­бав­ки на­но­ча­стиц зна­чи­тель­но силь­нее ска­зы­ва­ют­ся на ха­рак­те­ри­сти­ках ком­по­зи­тов, чем до­бав­ки обыч­ных на­пол­ни­те­лей, что свя­за­но с вы­со­кой удель­ной меж­фаз­ной по­верх­но­стью на­но­ком­по­зи­тов и от­ли­чия­ми свойств на­но­ча­стиц от свойств час­тиц мик­рон­но­го и мил­ли­мет­ро­во­го раз­ме­ров.

Не­ко­то­рые Н. встре­ча­ют­ся в при­ро­де в изо­ли­ро­ван­ном (фул­ле­ре­ны, алю­мо­си­ли­кат­ные на­нот­руб­ки и др.) или кон­со­ли­ди­ро­ван­ном (ас­бест, слю­ды, це­о­ли­ты, слои­стые гли­ны и др.) виде. Ряд Н. об­ра­зу­ет­ся в про­цес­сах жиз­не­дея­тель­но­сти рас­те­ний, жи­вот­ных и мик­ро­ор­га­низ­мов (напр., на­но­ча­сти­цы же­ле­за в не­ко­то­рых клет­ках).

Ме­то­ды по­лу­че­ния Н. под­раз­де­ля­ют­ся на фи­зич., хи­мич., био­ло­гич. и ком­би­ни­ро­ван­ные. Они де­лят­ся так­же по прин­ци­пу сбор­ки: свер­ху вниз (из­мель­че­ни­ем) или сни­зу вверх (кон­со­ли­ди­ро­ва­ни­ем).

Боль­шин­ст­во фи­зич. ме­то­дов ос­но­ва­но на под­хо­де свер­ху вниз и пре­ду­смат­ри­ва­ет из­мель­че­ние срав­ни­тель­но боль­ших по раз­ме­ру тел или час­тиц, зна­чи­тель­но ре­же – ис­поль­зо­ва­ние рас­тво­ров и рас­пла­вов. К ме­то­дам по­лу­че­ния на­но­ча­стиц из бо­лее круп­ных час­тиц и за­го­то­вок от­но­сят­ся: тер­мич. воз­гон­ка (ис­па­ре­ние) – де­суб­ли­ма­ция (раз­но­вид­но­сти это­го ме­то­да – рас­пы­ле­ние с по­мо­щью маг­не­тро­нов, элек­трон­ных и ион­ных пуч­ков); ла­зер­ная аб­ля­ция; дис­пер­ги­ро­ва­ние в ду­го­вом раз­ря­де; ме­ха­нич., ульт­ра­зву­ко­вое и де­то­нац. дис­пер­ги­ро­ва­ние; дис­пер­ги­ро­ва­ние ин­тен­сив­ным элек­трич. им­пуль­сом (ме­тод взры­ваю­щих­ся про­во­лок); элек­тро­ис­кро­вая эро­зия. К фи­зич. ме­то­дам по­лу­че­ния на­но­ча­стиц из рас­тво­ров от­но­сят­ся крио­ген­ные ме­то­ды и рас­пы­ли­тель­ная суш­ка. На­но­ча­сти­цы из рас­пла­вов по­лу­ча­ют пнев­ма­тич. или ме­ха­нич. дис­пер­ги­ро­ва­ни­ем. Су­ще­ст­ву­ют так­же фи­зич. ме­то­ды на­но­ст­рук­ту­ри­ро­ва­ния мас­сив­ных тел: ин­тен­сив­ная пла­сти­че­ская де­фор­ма­ция, кри­стал­ли­за­ция аморф­ных спла­вов.

В хи­мич. ме­то­дах ис­ход­ные ве­ще­ст­ва мо­гут быть в ви­де рас­тво­ров, по­рош­ков или га­зов, а так­же их ком­би­на­ций. В хи­мич. ме­то­дах по­ми­мо под­хо­дов свер­ху вниз ис­поль­зу­ют­ся под­хо­ды сни­зу вверх (из ато­мов и мо­ле­кул). Ме­то­ды, ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии рас­тво­ров, со­про­во­ж­да­ют­ся суш­кой и вклю­ча­ют: оса­ж­де­ние и тер­мич. раз­ло­же­ние в рас­тво­ре; золь-гель про­цес­сы; син­тез в об­рат­ных мик­ро­эмуль­си­ях. По­рош­ко­об­раз­ные ве­ще­ст­ва по­лу­ча­ют ис­поль­зуя ре­ак­ции тер­мич. раз­ло­же­ния, ре­ак­ции ти­па газ – твёр­дое те­ло. Отд. груп­пу хи­мич. ме­то­дов по­лу­че­ния Н. об­ра­зу­ют ре­ак­ции хи­ми­че­ско­го оса­ж­де­ния из га­зо­вой фа­зы, раз­но­вид­но­сти ко­то­рых вклю­ча­ют про­цес­сы в пла­ме­ни и плаз­ме. В эту груп­пу ре­ак­ций вхо­дит пи­ро­лиз уг­ле­во­до­ро­дов. Осо­бое ме­сто за­ни­ма­ют элек­тро­хи­мич. ме­то­ды. Ещё од­на са­мо­сто­ят. груп­па – мат­рич­ные ме­то­ды, сущ­ность ко­то­рых со­сто­ит в на­не­се­нии по­кры­тий на внеш­ние или внутр. стен­ки мат­риц оп­ре­де­лён­ной фор­мы с по­сле­дую­щим уда­ле­ни­ем мат­риц.

Био­ло­гич. ме­то­ды пред­по­ла­га­ют при­ме­не­ние био­ло­гич. объ­ек­тов – био­мо­ле­кул и мат­риц био­ло­гич. про­ис­хо­ж­де­ния, напр. ске­ле­тов диа­то­мо­вых во­до­рос­лей.

Ком­би­ни­ров. ме­то­ды ос­но­ва­ны гл. обр. на со­че­та­нии фи­зич. и хи­мич. ме­то­дов. Сю­да от­но­сят­ся фи­зич. ме­то­ды дис­пер­ги­ро­ва­ния, про­во­ди­мые в сре­де ре­ак­цион­но­спо­соб­ных га­зов или жид­ко­стей и со­про­во­ж­дае­мые хи­мич. ре­ак­ция­ми, элек­тро­ду­го­вой син­тез уг­ле­род­ных на­нот­ру­бок в при­сут­ст­вии ка­та­ли­за­то­ров и др.

Для Н. ха­рак­тер­ны яв­ле­ния са­мо­ор­га­ни­за­ции и са­мо­сбор­ки. Так, тон­кие плён­ки ме­тал­лов при от­жи­ге в инерт­ной сре­де фор­ми­ру­ют ост­ров­ки, на­но­ча­сти­цы мн. ве­ществ об­ра­зу­ют ус­той­чи­вые аг­ре­га­ты.

По об­лас­тям при­ме­не­ния Н. де­лят­ся на строи­тель­ные (для зда­ний и со­ору­же­ний), кон­ст­рук­ци­он­ные (для ма­шин и ме­ха­низ­мов) и функ­цио­наль­ные (ра­бо­чие эле­мен­ты при­бо­ров). Не­ко­то­рые ви­ды Н. про­из­во­дят­ся де­сят­ка­ми и сот­ня­ми тонн. Ожи­да­ет­ся, что рас­ши­ре­ние ис­поль­зо­ва­ния Н. при­ве­дёт к глу­бо­ким из­ме­не­ни­ям во всех сфе­рах хо­зяйств. дея­тель­но­сти лю­дей.