Нанотехнологии и наноматериалы

Nanomateryallarni qo'llashning asosiy sohalari va mumkin bo'lgan cheklovlar

Tasviriy misol sifatida biz so'nggi yillardagi bosma materiallarga asoslangan nanomateriallarni qo'llashning ba'zi sohalarini (yoki boshqacha aytganda, "tijoriylashtirish") ko'rsatishimiz mumkin. Tabiiyki, bu hududlarning umumiy ko'rinishiNanomateryallarni qo'llash hech qanday integral emas, lekin u nanomateriallardan foydalanish istiqbollari haqida kerakli tushunchani berishi mumkin.

Strukturaviy materiallar:
Nanostrukturali quyma materiallar statik va charchoq yuklashda yuqori mustahkamligi, shuningdek, oddiy don o'lchamiga ega bo'lgan materiallarga nisbatan qattiqligi bilan ajralib turadi [6-8,38-40]. Shu sababli, hozirgi vaqtda ulardan foydalanishning asosiy yo'nalishi ularni yuqori quvvatli va aşınmaya bardoshli materiallar sifatida ishlatishdir. Shunday qilib, oqim kuchlanishi odatdagi holatga nisbatan baravar ortadi va plastisitivlik juda oz pasayadi yoki Ni3Al uchun u 4 marta ortadi . Uglerodli nanotolalar va fullerenlar bilan mustahkamlangan kompozitlar dinamik zarba sharoitida ishlash uchun, xususan, zirh va tana zirhlari uchun istiqbolli materiallar hisoblanadi .


Asbob materiallari:
Nanodonli asbob qotishmalari odatda odatdagi strukturaviy holatga qaraganda ancha chidamli [8]. Yarimo'tkazgichlar va dielektriklarni qayta ishlashning yakuniy bosqichlarida silliqlash va parlatish materiallari sifatida karbid qo'shimchalari bo'lgan metall nano kukunlari ishlatiladi .


Ishlab chiqarish texnologiyalar:
Turli maqsadlarda nanomateriallardan kompozitlarning komponentlari sifatida foydalanish hozirgi vaqtda muhim va istiqbolli hisoblanadi. Chang metallurgiya usullari bilan po'lat va qotishmalarni ishlab chiqarishda an'anaviy kukunlarga nano kukunlarni qo'shish (zaryadlash) mahsulotlarning g'ovakligini kamaytirish va mexanik xususiyatlar majmuasini yaxshilash imkonini beradi. Alyuminiy va titanning nanostrukturali qotishmalarida superplastiklik ta'sirining namoyon bo'lishi ularni murakkab shakldagi qismlar va mahsulotlarni ishlab chiqarish va turli materiallarni qattiq holatda payvandlash uchun birlashtiruvchi qatlamlar sifatida ishlatish uchun istiqbolli qiladi . Nano kukunlarning juda katta o'ziga xos sirt maydoni (5x107 m-1 tartibida) ulardan bir qator kimyo sanoatida katalizator sifatida foydalanishni osonlashtiradi .


Tribotexnika:

Bu erda qo'llash istiqbollari odatdagi konstruktiv holatga nisbatan yuqori qattiqlik va aşınma qarshilikka ega bo'lgan nanostrukturaga ega metall materiallar bilan bog'liq. Ushbu sohadagi yana bir yo'nalish - polinokristalli olmoslar va olmosga o'xshash qoplamalar, shuningdek fullerenlar (masalan, sharsimon C60 molekulalari) va fulleritlar (qo'shimchali fulleranlar, masalan, FexC60) asosidagi o'ta qattiq moddalardan foydalanishdir [8]. Kubik BN, C3N4, TiC, TiN, Ti (Al, N) ga asoslangan murakkab kompozitsiyali nanostrukturali ko'p qatlamli plyonkalar juda yuqori yoki o'ta yuqori (70 GPa gacha) qattiqlikka ega, sirpanish ishqalanishida o'zini yaxshi isbotladi, shu jumladan zarba sharoitidagi plyonkalar soni.kiyish . Nanostrukturali o'ta qattiq nitridli plyonkalarning rivojlanishida xabar qilingan; amorf va nanostrukturali uglerod va uglerod nitridi , shuningdek TiC, TiN va TiCN bo'lgan plyonkalarning yaxshi tribotexnik xususiyatlari qayd etilgan. Kosmik texnologiyalar uchun o'z-o'zidan moylanadigan qoplamalar sifatida TiB2-MoS2 asosidagi qattiqligi 20 GPa va po'latda 0,05 surma ishqalanish koeffitsienti bilan ko'p fazali nanostrukturali qoplamalar taklif etiladi [8]. Motor moylariga ishqalanish yuzalarini tiklash uchun metall nano kukunlari qo'shiladi [8].

Yadro energiyasi

Qo'shma Shtatlarda va ehtimol boshqa mamlakatlarda nanomateriallar hozirgi vaqtda HF va rentgen nurlanishini yutish tizimlarida qo'llaniladi. Yoqilg'i tayoqchasi granulalari ultradispers UO2 kukunlaridan tayyorlanadi va termoyadroviy texnologiya ultra nozik berilliydan lazer termoyadroviy sintezi uchun nishonlardan foydalanadi . Kauchuk yoki sun'iy materiallardan tayyorlangan qo'lqoplar, fartuklar va boshqa himoya kiyimlari bir xil himoya darajasiga ega ultra nozik qo'rg'oshin plomba qo'shilishi bilan an'anaviy himoya kiyimlariga qaraganda to'rt baravar engilroqdir .


Elektromagnit va elektron muhandislik:
Ba'zi nanomateriallarning yaxshi magnit xarakteristikalari to'plami (temir, xalkogenid qatlamlari bilan birgalikda ularni yozib olish moslamalari uchun istiqbolli qiladi . Yumshoq magnit qotishmalardan yasalgan tekis yuza va murakkab shakldagi sirtli plyonkali nanomateriallar video boshlari uchun ishlatiladi. magnitafonlar, bu erda ular xizmat ko'rsatish xususiyatlaridan sezilarli darajada ustundir
an'anaviy materiallar. Nanostrukturali nikel folga va yumshoq magnit nanoqotishma "Finemet" ishlab chiqilgan. Bir qator nanomateriallarning majburlash kuchining yuqori qiymatlari ularni doimiy magnit sifatida ishlatishni istiqbolli qiladi . Temir bilan biriktirilgan uglerod nanotubalari, shuningdek, SmxCoy kabi samariumning kobalt bilan intermetalik birikmalari magnit siyoh va tonerlarda qo'llaniladi. O'tga chidamli metallarning karbidlari (TaC, NbC, MoC) bilan to'ldirilgan uglerod nanotubalari o'ta Supero'tkazuvchilar sifatida ishlatilishi mumkin . Bir qator o'ta o'tkazgichlar tarkibiga nano kukunlarni qo'shilishi qo'shimcha pinning markazlarining shakllanishi tufayli o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tish harorati va kritik oqim zichligi kabi ko'rsatkichlarni yaxshilashi mumkin . Taxminan 2 nm don o'lchamiga ega bo'lgan Ti-CB plyonkalari an'anaviy namunalarga nisbatan yuqori termal barqarorlikka ega rezistorlar sifatida optimal elektrofizik xususiyatlarga ega edi . Nano simlarning "gilamlari" ko'rinishidagi tartibga solingan konstruktsiyalar sensorlar yoki yuqori aniqlikdagi ekranlarning elementlari sifatida ishlatilishi mumkin..Uglerod nanotubalarining turli xil chiralliklarga ega boʻlgan tutashuvi (yaʼni, kristall panjaraning trubka oʻqiga nisbatan buralishi) nanododni, oksidlangan kremniy gofret yuzasida yotgan trubka esa dala effektli tranzistor kanalini hosil qiladi (3.4-rasm). ). O'ta yuqori zichlikdagi ma'lumotlarni yozib olish qurilmalari, shu jumladan kvant magnit disklari uchun g'ovakli alumina substratida elektrolitik cho'kma natijasida olingan diametri 50 nm bo'lgan Fe0,3Co0,7 qotishmasidan tayyorlangan nanosimlar ishlab chiqilgan (3-rasm). . 5) Fullerenlar va ular asosidagi nanomateriallar yarimo'tkazgich, optik va fotoelektrik texnologiyalar sohasida mahsulotlar yaratish uchun istiqbolli materiallardir .Tarkibida 15 ... 20 wt.% CdTe bo'lgan kompozit fulleren asosli plyonkalar C60-CdTe belgilangan optik xususiyatlarga ega muntazam nanostrukturalarni olish uchun asosdir (3.6-rasm). Ion-atom cho'ktirish usuliga asoslangan nanotexnologiyalar elektron va optik mahsulotlar uchun yuqori yopishqoqligi va tashqi termal va mexanik ta'sirlarga chidamliligi bilan ajralib turadigan termodinamik jihatdan aralashmaydigan elementlarning "qoplama - o'tish qatlami - substrat" ​​nanokompozitsiyalarini olish imkonini beradi, masalan, oltin. bilan kremniy substratlarda plyonkalaratomik silliq sferoid segmentlar to'plami ko'rinishidagi sirt tuzilishi (3.7-rasm). Istiqbolli yarimo'tkazgichlar sifatida ko'rib chiqiladiepitaksial GaN qatlamlari, shu jumladan. safir substratda, uning yuzasi topografik nanostrukturasining o'z-o'zidan tashkil etilishi.
bog'langan bilan hajmi harakatchanlik elektronlar, Xususiyatlari mozaika tuzilishi va kimyoviy tarkibi (3.8-rasm) [34,50,51].

3.4-rasm Uglerod nanonaychaga asoslangan dala effektli tranzistorning diagrammasi, dia. 1,6 nm [4].

rasm 3,5 Fe qotishma nanosimlar _{Diametri 50 nm bo'lgan 0,3Co0,7: a) nanosimli substratning yuqoridan ko'rinishi (SEM), b) simlarning ko'rinishi (TEM)}

rasm. 3.6. Buyurtma davriga ega bo'lgan nano o'lchamli kompozit mash tuzilishi

780 nm va CdTe miqdori 15 og'irlik% [.



rasm. 3.73600x3600 Å o'lchamdagi kremniy substratdagi oltin qoplama yuzasi qismining uch o'lchamli tasviri, ion-atom cho'kishi natijasida olingan

rasm. 3.8.GaN epitaksial qatlami sirtining topografik nanostrukturasining tasviri .

a) b)
rasm.3.9. Titan oksidi nanozarrachalari asosidagi qoplama: a) sirt tuzilishi, b) o'simlik moyi, distillangan suv va spirt eritmasi bilan qoplangan tsement plitasining namlanishi
Materiallarni himoya qilish
Ba'zi hollarda, mahsulotlarning ishonchli ishlashi uchun ularning sirtining yuqori suv va moy o'tkazmaydigan xususiyatlarini ta'minlash kerak. Bunday mahsulotlarga avtomobil oynalari, samolyot va kema oynalari, himoya kostyumlari, suyuqliklarni saqlash uchun tanklar devorlari, qurilish konstruksiyalari va boshqalar kiradi. Shu maqsadda 20-50 nm o'lchamdagi titan oksidi nanozarralari va polimer biriktiruvchisi asosida qoplama ishlab chiqildi. Ushbu qoplama suv, o'simlik moyi va spirtli eritmalar bilan sirt namligini keskin kamaytiradi (3.9-rasm).


Tibbiyot va biotexnologiya:
Sof nanostrukturali materiallarni, xususan, Ti ni qo'llashning muhim sohasi ulardan tibbiy maqsadlarda - implantlar, protezlar va travma asboblarida foydalanish hisoblanadi. Buning sababi yuqori mexanik xususiyatlarning (murakkab qotishma qotishmalar darajasida) sof metallning yuqori biologik moslashuvi bilan birikmasidir. Nanostrukturali uglerod plyonkalari va uglerod va Si, SiOx, SiNx ga asoslangan kompozit nanofilmlar yaxshi biomoslashuv, kimyoviy, termal va mexanik barqarorlikka ega va shuning uchun ular biosensorlar yig'indisi, protezlar va implantlar uchun ishlatilishini va'da qilmoqda. Dorivor preparatlarning nano kukunlari tez assimilyatsiya qilinadigan va ekstremal sharoitlarda (baxtsiz hodisalar va harbiy harakatlardagi jarohatlar) ta'sir qiluvchi dori vositalarida qo'llaniladi .


Urush:
Ultra nozik kukunlar Stealth texnologiyasidan foydalangan holda yaratilgan samolyotlar uchun bir qator radio yutuvchi qoplamalarda, shuningdek, portlovchi moddalar va yondiruvchi aralashmalarning istiqbolli turlarida qo'llaniladi. Uglerodli nanotolalar dushmanning energiya tizimlarini ("grafit bombasi" deb ataladigan) o'chirish uchun mo'ljallangan maxsus o'q-dorilarda qo'llaniladi.

Nanomateryallardan foydalanishga cheklovlar

Ma'lum bo'lishicha, nano o'lchamdagi donalari bo'lgan materiallar mo'rt bo'ladi. Ba'zi hollarda, shu jumladan. qattiq plastik deformatsiya usullaridan foydalanganda, masalan, nanokristalli mis, titan va titan uchun ushbu noxush ta'sirning namoyon bo'lishini kamaytirish mumkin.
qotishmalar, intermetall birikma Ni3Al Shunga qaramay, muammo juda dolzarbligicha qolmoqda. Nanostrukturali strukturaviy materiallardan foydalanishning muhim cheklovi don chegaralarining juda katta hajmli qismi tufayli ularning intergranular korroziyaga moyilligidir. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия с поверхности элементов внедрения и элементов диффундирующих по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен va hokazo.). Yana bir muhim cheklov - nanomateriallar strukturasining beqarorligi, demak, ularning fizik-kimyoviy va fizik-mexanik xossalarining beqarorligi. Shunday qilib, termal, radiatsiya, deformatsiya va boshqalar bilan. Ta'sir ostida qayta kristallanish, relaksatsiya, segregatsiya va gomogenizatsiya jarayonlari, shuningdek, parchalanish, fazaviy o'zgarishlar, nanoporlar va nanokapillyarlarning sinterlanishi va suv bosishi, amorfizatsiya yoki kristallanish hodisalari muqarrar. Masalan, suyuqlik o'tkazish uchun mo'ljallangan uglerod nanotolalari tebranishlar va suyuqlik oqimi bilan qo'zg'atilgan uglerodning strukturaviy beqarorligi tufayli shikastlanishi mumkin Nano kukunlardan buyumlarni qoliplashda aglomeratlarga to'planish (nanozarrachalarning yopishishi) muammosi ham juda keskin bo'lib, ma'lum bir tuzilishga ega materiallarni tayyorlash va tarkibiy qismlarni taqsimlashni murakkablashtirishi mumkin. Masalan, suyuqlik o'tkazish uchun mo'ljallangan uglerod nanotolalari tebranishlar va suyuqlik oqimi bilan qo'zg'atilgan uglerodning strukturaviy beqarorligi tufayli shikastlanishi mumkin Nano kukunlardan buyumlarni qoliplashda aglomeratlarga to'planish (nanozarrachalarning yopishishi) muammosi ham juda keskin bo'lib, ma'lum bir tuzilishga ega materiallarni tayyorlash va tarkibiy qismlarni taqsimlashni murakkablashtirishi mumkin. Masalan, suyuqlik o'tkazish uchun mo'ljallangan uglerod nanotolalari tebranishlar va suyuqlik oqimi bilan qo'zg'atilgan uglerodning strukturaviy beqarorligi tufayli shikastlanishi mumkin. Nano kukunlardan buyumlarni qoliplashda aglomeratlarga to'planish (nanozarrachalarning yopishishi) muammosi ham juda keskin bo'lib, ma'lum bir tuzilishga ega materiallarni tayyorlash va tarkibiy qismlarni taqsimlashni murakkablashtirishi mumkin.

Shuni ta'kidlash kerakki, hozirgi vaqtda tijorat bozorida eng keng tarqalgan nanomateriallar metallar va qotishmalarning nano kukunlari, oksidlarning nano kukunlari (kremniy, temir, surma, alyuminiy, titan), bir qator karbidlarning nano kukunlari, uglerod nanotolalari, fulleren materiallaridir.

4.