Ковтун Г.Л., Веревкин А.Л. Наноматериалы: технологии и материаловедение
Подождите немного. Документ загружается.
УДК
620.3
КОВТУН
гл.,
ВЕРЕВКИН
А.Л.
Наноматериалы:
технологии
и
материаловедение:
Обзор.
-
Харьков:
ННЦ
ХФТИ,
2010. -
73с.
Кратко
изложены
по
опубликованным
литературным
данным
основные
результаты
последних
исследований
по
нанотехнологиям,
предназначенных
для
создания
ваноструктурированных
материалов
преимущественно
конструкционного
и
функционального
назначения.
Рассмотрены
физико-химические
особенности
наноматериалов,
методы
диагностики,
причины
появления
размерной
зависимости
механических,
кинетических,
термодинамических
и
других
свойств
наноматериалов.
Описаны
основные
виды
наноматериалов,
способы
получения
компактных
наноматериалов,
их
свойства
и
применение.
Особое
внимание
уделено
перспективным
нанотехнологиям
и
наноматериалам
для
использования
в
атомной
энергетике.
Кратко
изложены
методы
получения,
свойства
и
перспективы
использования
низкоразмерных
гегероструктур,
фуллеренов,
углеродных
нанотрубок.
Дано
определение
некоторым,
наиболее
распространенным
терминам
нанотехнологий,
широко
используемых
в
литературе.
Рис.37,
табл.З,
список
лит.
- 73
назв.
©
Национальный
научный
центр
«Харьковский
физико-технический
институт»
(ННЦ
ХФТИ),
2010.
Харьков
2010
Национальный
научный
центр
«
Х
а
р
ь к
о
в
с
к
и
й
Физико
-технический
институт»
г.п.
Ковтун,
А.А.
Веревкин
нАномАтЕриАлыIтЕхнологиии
И
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Об
з
ор
п
о
и
ст
оч
никам
от
еч
е
ств
енной
и
з
а
рубеж
н
о
й
печати
з а
/9
74-2009
гг.
СОДЕРЖАНИ
Е
Вве
дение
3
1.
Фи
зико
-
химические
особенности
ваноструктурных
материалов
..
. . .
.
.
.
.
. .
.
.
..
.
. .
5
2.
Методы
иссnедованWI
.
.
.. ..
.
..
.. ..
.
.
.. ..
..
..
.
.
..
.
..
.
...
.
....
.
22
3.
Способы
попучения
наноматериалов
...
..
.
...
.
..
.
. .
..
. .
..
28
4.
Ви
ды
наноматериалов
,
их
свойства
и
применевне
39
4.1.
Наноматериалы
конструкционного
.
и
функционального
класса
. . . . .
.
.
. .
.
.
.
.
. .
40
4.2.
Нано
те
хно
ло
гии
в
атом
ной
э
н
е
р
гети
к
е
44
4.3.
Нанеразмерные
гетероCЧJ
уктуры
, 50
4.4.
фул
лерены..
..
. . .
....
..
.
.
57
4.5.
Углеродные
наноЧ>убки
.
..
. . .
.
. .
.
.
...
. . .
..
. .
.
.
.. ..
. . . . . . . . .
..
.
.
. . .
..
.
.
.
.
.
60
Заключение
...
. 65
К
вопросу
о
термино
логии
.
..
.. . .. .. 66
Литература
.
.
....... .. ....... .. .... ... ...... ... ........... ....... ...... .. 68
ВВЕДЕНИЕ
За
последние
два
десятилетия
нанотехнологии
стали
стратегическим
инцустриапьным
направлением
.
К
материалам
в
наносостоянии
проявляется
огромный
интерес
в
связи
с
реальной
возможностью
практической
реализации
их
уникальных
свойств
в
разнообразных
областях
науки
и
техники
.
8
настоящее
время
более
50
стран
ведут
исследования
и
разработки
в
области
нанотехнологни
и
не
менее
30
стран
имеют
свои
национальные
программы
в
этой
области
.
Фундаментальные
исследования
по
проблемам
нанотехнологий
ведутся
и
в
Украине
.
Интенсивность
научных
исследований
в
области
нанотехнологий
характеризуется
экспоненциальным
ростом
научных
публикаций.
[1].
В
настоящее время
более
20
международных
журналов
посвящены
исключительно
наноматериалам
и
нанотехнологиям
.
Кроме
того,
все
материаловедческие
журналы
публикуют
статьи
по наноматериалам
и
нвнотехнологиям.
Появляются
новые
монографии,
сборники
трудов,
учебные
пособия,
посвященные
различным npoблемам
нанотехнопогий
(2-
12].
Ежегодное
количество
Международных
конференций
по
этой
тематике
доходит
до
20-30.
За
уникальные
результаты
исследований
в
области
наномагериапов
,
нанетехнологий
и
наноэлеятроники
было
присуждено
шесть
Нобелевских
премий.
По
многим
прогнозам
именно
развитие
явнотехнологий
определит
облик
ХХI
века,
подобно
тому
,
как
открытие
атОМНОЙ
энергии,
изобретение
лазера,
транзистора
и
компьютера
определили
облик
хх
столетия
.
Нанотехнология
-
зто
по
сути
межпнсциппинарная
область
науки
и
техники,
занимающаяся
изучением
свойств
объектов
и
.
разработкой
устройств
с
базовыми
структурными
элементами
размерами
в
.
н
ес
к
о
л
ь
к
о
десятков
нанометров
(1
нм
= 10·9
м)
.
Применительно
к
, .
индустрии
нанесистем
границы
геометрического
фактора
формально
определены
от
единиц
до
100
нм
.
Однако
система
получает
приставку
«нано»
не
потому,
что
ее
размер
становится
меньше
100
нм,
а
вследствие
того
,
что
ее
свойства
начинают
зависеть
от
размера.
В
макроскопическом
прс
дставлении
физические
и
физика-химические
свойства
вещества
3
и
нв
ариантны
относи
те
льно
е
г
о
количес
тва
ил
и
размера
.
О
днак
о
это
утвер
ж
дение
с
п
р
ав
е
дл
ив
о
д
о
опре
деленны
х
пре
де
лов
,
а
именно
,
ко
г
д
а
хот
я
бы
в
одном
измерении
протяжен
ность
изучаем
ого
объекта
станови
тся
менее
100
нм.
При
этом
образующие
систему нано
ча
с
ги
цы
ПО
с
во и
м
свойствам
о
т
личаются
как о
т
объемной
фазы
веще
ства
,
та
к
11
от
м
о
ле
к
у
л
или
атомов,
их
составляющих
.
В
основе
кач
ественно
новы
х
д о
с т
иже
н и
й
8
научно-те
хниче
ских
разработках
на
н
а
н
еу ро
в
не
л
е
ж
ит
исполь
з
о
в
ани
е
новы
х
,
ранее
неизвестны
х
свойств
и
функциона
льных
во
змо
ж
н
ост
ей
материальны
х
систем
при
перехо
де
к
нанемасштабам.
Первое
у
п
о
м
и н
а
н и
е
о
методах
,
которые
впосле
д
ствии
наз
овут
наио
те
хноло
гией
,
сделал
в
1959
г
.
америк
анский
физик
Ричард
Ф
ейн
ман
8
своей
з
н
а
м
е
н и
т
о й л
е
к
ц
и
и
«
Т
а
м,
вни
з
у.
мно
го
места
»
(<<
Th
e
гe'
s
P1enty
of
Room at
Ше
Вопопт
»)
[13].
Р
.
Фейнман
,
в
частнос
ти
,
сказал
:
«
П
р
и
пер ехо
де
к
изучению
самых
маленьких
объектов
мы
сталкиваемся
со
мно
гими
разнообразными
явлениями
,
с
оз
д
а
ю
щ
и
м
и
новые
во
зможности
.
По
ве
д
ени
е
от
дельных
атомов
подчиняется
з
а
к
о н
ам
квантовой
ме
хани
ки
и
не
име
ет
аналогов
в
макроскопическом
масштабе
.
поэтому
« в
н из
у»
мы
б
у
дем
постоянно
наб
людать
новые
закономерности
и
э
ф
фе
кты,
пр
е
дпо
ла
г
ающи
е
новые
вариан
ты
испо
льзования
»
.
Р
.
Фейнман
научно
д
о
каз
ал,
ч
то
с
точки
зре
ния
фундаментальны
х
з
а к
о н
о
в
физики
нет
никаки
х
пр
е
пят
стви
й
к
т
о
му
,
чтобы
со
здавать
материальны
е
объекты
прямо
и
з
ато
мов.
Он
пре
дпо
ло
ж
ил
,
что
возможно
перемешать
а
томы
о
т
де
льно
,
механи
че
с
ки
,
при
по
м
ощи
манипу
лятора
соответствующих
размеров
,
т
.
е
пр
е
дска
зал
о
дин
из
основны
х
методов
нанотехно
логии
,
ко
торый
сейчас
именуется
«с низу
вверх»
(botton
-up
).
Впервые
т
е
р
м
и
н
«нано
те
хнология
» в
1974
г
.
использовал
японский
физик
Норио
Т
а
н
и
гуч
и
[14].
Он
пре
дложил
н
азват
ь
этим
термином
произвс
дство
объектов
размером
поря
дка
нанометр
ов
.
Широкий
интерес
к
наноматериалам
ПОЯВ
ился
в с
ередине
восьми
деся
тых
годов
благодаря
работам
Г
пейтера
с
сотр
у
дниками
[151,
вп
ервы
е
обраТ1ШШИХ
внимание
на
повышение
роли
поверхнос
тей
раз
дела
с
уменьшением
ве
личины
з
е
р
н
а
и
пре
дложи
вших
м
ето
д
по
лучен
ия
наноматериапов
,
з
а
кл
ю
ч
а
в
ш
и й
с
я
в
сочетании
изготовления
ул
ь
тр
а
дисперс
ных
порошков
и
пос
ледующ
ей
консо
лидации
при
высоки
х
давлениях.
Метод
Глейтера
был
взя
т на
вооружение
во
многих
странах
,
после
чего
информация
о
свойствах
нанома
териалов
начала
появля
ться
лавинообразными
темпами
.
В
1986
г
.
американский
футуро
ло
г
Э
р
и к
Дрекслер
опубликовал
свою
книгу
«Машины
соз
дания
:
гряд
е
т
э
р
а
нанотехнологии
»
(<<Епg
iпеs
of
С
геапоп
:
The Coming
Ега
оС
Nano
techno1ogy») (16),
б
лагодаря
которой
нан
о
т
ехноло
гия
стала
изв
естна
широкой
пуб
лике
.
4
Следует
отметить
,
по
крайней
мере
,
два
обстоятельства,
с
оп
р
о
в
о
жд
а
ю
ш
ие
значительный
всплеск
исследований
в
области
н
ан о
м
е
тери
ал
ов
.
Во-первых
,
уже
на
первых
порах
появилась
во
зможность
ре
али
зации
высокого
уровня
физико-химических
и
механических
свойств
материалов
в
наносостоянии
,
Во-вторых
,
эта
проблематика
выявила
ряд
проб
е
л
ов
не
то
лько
в
понимании
природы
особенностей
э т
о
г
о
состояния,
IЮ
И
е
го
технологической
реализации.
Благодаря
нанотехнологиям
получили
широкое
развитие
системы
х р
а
н
е
н
ия
и
обработки
информации
,
мобильной
связи,
теоретическое
обоснование
и
практическая
реализация
которых
в
значительной
мере
прина
длежи
т
ак
адемик
у
Ж
.И
.
Алферову
,
удостоенному
в
2000
г.
Нобелевской
премии
по
фи
зике
.
Как
уже
о
тмечалось.
наиотехнопогия
является
междисциплинарной
н
ау
к
о
й
и
практически
проникла
во
все
области
науки
и
техники
:
физику,
х
и
м
ию,
материаловедение
,
биологию
,
ме
дицину,
экологию,
се
льское
хозяй
ство
и
др
.
Прогнозируется
,
что
наука
о
нанотехнологиях
,
нановеществах
способна
перестроить
все
отрасли
промышпенного
производства
,
привести
к
новой
научно-технической
революции
и
повлиять
на развитие
социальной
структуры
общества.
Це
лью
настоящей
работы
является
об
зор
основных
достижений
в
области
нано техноло
гий
с
точки
зрения
возможности
их
применения
для
со
здания
конструкционных
и
функциональных
материалов
с
качественно
новыми
свойствами.
1.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ
НАНОСТРУКТУРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Физико-химия
твер
дотельных
ваноструктур
как
бы
является
мостиком
между
такими
традиционными
областями,
как
атомная
физика
,
гд
е
изучают
свойства
отдельных
атомов
,
и
физико-химией
концентрированного
состояния
,
в
рамках
которого
изучаю
т
твердотельные
веш
еств
а
,
ко
личество
атомов
в
которых
практически
бесконечно
.
По
сути,
на
ностр
уктура
-
э
т
о
очень
маленький
фрагмент
твердого
тела
.
Однако
оказывае
тся
,
что
при
таких
малых
размерах
с в
о й
ст
в
а
наноструктур
очень
сильн
о
отличаются
от
свойств
объемных
материалов.
З
адача
нанотехно
логии
,
если
сформулировать
ее
кратко
,
-
э
т
о
со
з
дание
низкоразмерны
х
систем
с
размерами
структурных
элементов
от
до
лей
д
о нескольких
д
е
с
ят
к
о
в
нанометров.
При
э
то
м
имеются
ввиду
как
от
дельные
частицы
с
указанным
диаметром
,
так
и
двумерные
(например
пленки)
и
одномерные
(например
,
квантовые
нити)
структуры
.
Следует
отмети
ть,
что
с
уменьшением
размера
частиц
понятие
фазы выражено
м
ен
е
е
че
тко
;
границы
между
гомогенной
11
гетерогенной
фазами
,
между
а
морфными
и
кристаллическими
состояниями
опре
делить
трудно
.
5
Обычные
физико-химические
представления
,
включающие
поня
тия
«состав
-свойство»
,
«структура-фун
КЦИЯ
))
дополняются
в
это
м
случае
терминами
«размер»
,
«самоорганизацию)
.
Изучение
различных
свойств
обособленных
наночастиц
составляет
одно
из
направлений
нанонаухи
.
Другое
направление
связано
с
изучением
расположения
атомов
внутри
нанообъекта,
формируемого
из
наночастиц
.
Относительная
стабильность
отдельных
частей
наноструктуры
находится
в
зависимости
от
кинетических
и
термодинамических
факторов
.
Наночастицы
можно
рассматривать
как
промежуточные
образования
между
атомами
с
одной
стороны
,
и
твердым
состоянием
-
с
д
р
у
г
о й
.
Наночвстицы
и
наносистемы
обладают
многими
особенностями
фи
зико
химических
свойств
,
не
наблюдавшихся
ранее
в
твердых
телах
.
Каковы
основные
причины
,
инициирующие
необычные
свойства
у
наносистем?
В
чем
особенности
таких
нанообъектов
?
Нам
представляется
,
что
можно
выделить
два
основных
фактора
,
влияюших
на
формирование
свойств
нанесистем
-
это
изменение
термодинамического
состояния
наносистем
по
сравнеиию
с
классическим
и
появление
квантово
размерных
эффектов
с
уменьшением
характеристических
размеров
структурных
элементов.
Теоретические
и
экспериментальные
исследования
термо
динамики
малых
частиц
показыв
ают
,
что
размер
частиц
явля
е
тся
активной
термодинамической
переменной
.
определяюшей
вместе
с
другими
термодинамическими
персменными
состояние
системы.
Вследствие
сто
ль
малых
размеров
они
имеют
высокую
величину
поверхности
раздела
.
Как
с
ледствие
,
такие
ванообъекты
проявляют
высокую
физико-химическую
активность.
Высокая
реакционная
способность
наночастиц
часто
приводит
к
потере
их
индивидуальности
.
Наночастицы
размером
менее
1
О
нм
обладают
избыточной
э
н
е
р
г
и
е
й
11
высокой
химической
активностью
.
Частицы
размером
около
1
нм
практически
без
энергии
активации
вступают
в
процессы
агрегации
,
приводящие
к
образованюо
нанечастиц
металлов,
и
в
реакции
с
другими
химическими
элементами,
обуславливающие
получение
веществ
с
новыми
свойствами.
Зависимос
ть
химической
активности
от
размера
реагирующих
частиц
объясняю
т
тем,
что
свойства
индивидуальных
атомов
элементов
11
формируемых
из
атомов
кластеров
и
ианочастиц
отличаются
от
свойств
аналогичных
макрочастиц.
Образование
наночастиц
из
атомов
сопровождается
двумя
процессами:
формированием
металлических
я
дер
разного
размера
и
взаимодействием
между
частицами
,
ко
торое
способствует
созданию
из
них
ансамблей,
представлающих
наноструктуру
.
Избыточная
энергия
таких
объектов
определяется
в
первую
очередь
нескомпенсированностъю
связей
поверхностных
и
приповерхнос
тны
х
б
а
томов
.
По
д
т
е
р
м
и н о
м
«поверхность»
и
ли
«
м
е
жф
аз
н
ая
граница»
обычно
п о н и
м ают
сл
о
й
вещес
тва
конечной
толщины
,
разделяющий
объем
ные
фазы
.
Его
то
лщина,
как
правило
,
состав
ляет
несколько
атомных
слоев.
Ес
ли
ко
личества
вещества
на
поверхности
и
в
объеме
становя
тся
сои
змеримыми
,
то
роль
поверхности
как
более
активной
составляющей
сущес
твенно
возрастает
[17].
С
изменением
размеров
частиц
связан
еще
ряд
термодинамических
СВОйС
ТВ
наночастиц,
Концентрация
вакансий
в
нвночастицах
повышается
с
у
ме
н
ь
ш
е
н
ие
м
их
размера
,
о
дновременно
снижаются
температуры
по
лим
орфных
превращений
и п
арам
етры
решеток
,
возрастает
сжима
ем
о сть
и
рас
творимость
.
Экспериментальные
и
теоретические
и
сс
л
е
дования
т
е
р
м
о
д
и н а
м
и
к
и
малых
частиц
позволяют
угверждать
,
что
размер
частиц
яв
ля
ется
активной
переменной.
определяющей
вмес
те
с
д
ру
г
и
м
и
те
р
м
од
и н
а
м
ич
ес
к
и
м
и
персменными
состояние
системы
и
ее
реакци
онн
ую
с
п
о
с
о
б
н
ост
ь
.
Размер
частиц
можно
рассматривать
как
с
в
ое
о б
р
аз
н
ы
й
э
к
в и
в
але
н т
температуры
,
и
в
э
т
о
м
с
лучае
з
н
ач
е
н
и
е
потен
циала
Гиббса
б у
дет
отличаться
от
с
тан
дар
тных
з
н
а ч
е
н
и й
массивной
фазы
(
ри
с
.
1).
О,
кДж/моль
7
6
s
4
--------------------
3
2
о
20
L"l'
40
60
80 100
(.НМ
Ри
с
.
1.
За
ви
симость
св
о б
од н
о
й
э
н
е
р
ги
и
Гиббса
(
О
)
бинарно
го
нано
стр
укт
у
рно
г
о
с
плава
с
о
средней
концентрацией
5%
от
размера
к
ри
ст
аллитов
(Е)
.
Дл
я
о
б
ы
ч
н
о
г
о
кри
сталла
0=4
кД
ж
/
М
ОЛ
Ь
[}
8J
7
Характер
зависимости
G=f(L)
означает
,
что
из-за
сущес
твования
минимума
при
L.:
p
рост
кристаллитов
в
интервале
L< L
kp
становится
термолинамически
невЬ1ГОДНЫМ.
Электронные
свойства
ваноразмерных
систем
отличаются
от
известных
объемных
свойств
материала
,
из
которого
они
сделаны.
Одной
из
основных
особенностей
низкоразмерных
систем
является
мо
дификация
их
электронной
структуры
при
ограничении
размеров
системы
в
О
ДНОМ
или
нескольких
координатных
направлениях
до
размеров
,
сравнимых
с
длиной
волны
де-Бройля
.
В
этом
случае
в
направлении
,
где
проис ходит
ограничение
размеров
,
имеет
место
переход
от
непрерывной
э
л
ектронной
структуры
валентной
зОНЫ
к
дискретной
э
л
е
ктр
о
н н
о й
СТРУК1)'ре.
Это
связано,
прежде
всего
,
с
проявлением
квантово-механических
явл
ений
.
В
классической
физике
э
л
е
ктр
о
н
ы
,
как
и
все
другие
час
тицы
,
движутся
по
траекториям
,
которые
можно
рассчитать
с
помощью
уравнений
Ньютона.
В
квантовой
механике
картина
движения
эл
е
ктр
о н
о
в
совершенно
иная.
С
позиции
квантовой
механики
электрон
может
быть
пре
дстав
лен
волной
,
описываемой
соответствующей
волновой
функцией.
Распространение
этой
волны
в
наноразмерных
твердотельных
структурах
контролируется
эффектами
,
связанными
с
квантовым
ограничением
,
интерференцией
и
возможностью
туннелирования
через
потенциальные
барьеры.
Волновая
функция
('+'-функция
)
дает вероя
тностное
,
ста
тистическое
описание
электрона
в
пространстве.
80ЛНа,
соответствующая
свободному
э
л
е
ктр
о н
у
в
твердом
теле
,
может
беспрепятственно
распространяться
в
любом
направлении.
Ситуация
кардинально
меняется,
когда
Э
)1еК1рОН
попадае
т
в
твердотельную
структуру
,
размер
которой
L,
по
крайней
мере
в
одном
направлении
,
ограничен
,
и
по
своей
величине
сравним
с
длиной
электронной
волны
.
Классическим
аналогом
такой
структуры
является
струна
с
жестко
закрепленными
концами
.
Колебания
струны
могут
про
исхо
дить
ТОЛЬКО
в
2L
режиме
стоячих
волн
с
длиной
волны
л
=- .
где
n
==
1, 2,...
п
Аналогичные
закономерности
поведения
характерны
и
для
свободного
э
л
е
ктр
о н
а,
находящегося
в
твердотельной
структуре
ограниченного
размера
или
области
твердого
тела,
ограниченной
непроницаемыми
потенциальными
барьерами
.
На
рис
.
2
такая
ситуация
проитпострирована
на
примере
квантового
шнура
,
у
которого
ограничены
размеры
сечения
а
и
Ь.
В
этих
направлениях
возможно
распространение
только
волн
с
длиной
,
кратной
геометрическим
размерам
СЧ>УК1)'рЫ
.
8