Нанотехнологии и наноматериалы

Nanomateriallar strukturasining asosiy turlari

Nanomateryallarning xossalari, asosan, ular tashkil topgan kristallitlarning (nano o'lchamdagi elementlar) tarqalishi, shakli va kimyoviy tarkibi tabiati bilan belgilanadi. Shu munosabat bilan nanomateriallarning strukturalarini ana shu belgilarga ko‘ra tasniflash maqsadga muvofiqdir (2.2-rasm). Kristallit shakliga ko'ra nanomateriallar qatlamli (qatlamli), tolali (ustunli) va ekviaksiyallarga bo'linadi. Albatta, qatlam qalinligi, tolaning diametri va don hajmi 100 nm yoki undan kamroq qiymatlarni oladi. Kristallitlarning kimyoviy tarkibining o'ziga xos xususiyatlaridan va ularning chegaralaridan kelib chiqqan holda, odatda nanomateriallarning to'rtta guruhi ajratiladi. Birinchisi, kristalitlar va interfeyslarning kimyoviy tarkibi bir xil bo'lgan materiallarni o'z ichiga oladi. Ular bir fazali deb ham ataladi. Bunday materiallarga misollar

rasm. 2.3. Nanomateryallar tuzilishining asosiy turlari .

nanokristalli teng o'qli tuzilishga ega va qatlamli polikristal polimerlarga ega sof metallardir. Ikkinchi guruhga kristallit tarkibi har xil bo'lgan, ammo chegaralari kimyoviy tarkibida bir xil bo'lgan materiallar kiradi. Uchinchi guruhga kristalitlar ham, chegaralari ham turli xil kimyoviy tarkibga ega bo'lgan nanomateriallar kiradi. To'rtinchi guruh nanomateriallar bilan ifodalanadi, ularda nano o'lchamdagi cho'kmalar (zarralar, tolalar, qatlamlar) boshqa kimyoviy tarkibga ega matritsada taqsimlanadi. Bu guruhga, xususan, dispersiya bilan qotib qolgan materiallar kiradi.

3. NANOMATERİALLARNING XUSUSIYATLARI VA ULARNING ASOSIY FOYDALANISH YO'LLARI.

1. Nanomateryallarning o'ziga xosligining fizik sabablari

Nanomateryallar va nanozarrachalarning xossalaridagi eng kuchli oʻzgarishlar 10..100 nm dagi kristallit oʻlchamlari oraligʻida sodir boʻladi. Buning asosiy jismoniy sabablarini 3.1-rasmda tasvirlash mumkin.
Nanozarrachalar uchun yupqa sirt qatlamida joylashgan atomlarning ulushi (qalinligi odatda 1 nm ga teng) mezo- va mikrozarrachalarga nisbatan sezilarli darajada oshadi. Haqiqatan ham, sirtga yaqin atomlarning ulushi S zarrachaning sirt maydonining V hajmiga nisbati bilan mutanosib bo'ladi. Agar zarrachaning (kristallitning) xarakteristik hajmini D deb belgilasak, u holda: S / V  D2 / D3  1 / D. Sirt atomlarida, qattiq jismning asosiy qismidagilardan farqli o'laroq, qo'shni atomlar bilan barcha bog'lanishlar ishtirok etmaydi. Sirtning o'simtalari va qirralarida joylashgan atomlar uchun bog'larning to'yinmaganligi yanada yuqori. Natijada, sirtga yaqin qatlamda kristall panjaraning kuchli buzilishlari paydo bo'ladi va hatto panjara turining o'zgarishi ham mumkin. Yana bir jihat - bu fakt erkin sirt nuqta va chiziqli kristall nuqsonlar (birinchi navbatda, vakansiyalar va dislokatsiyalar) uchun cheksiz sig'imli cho'kma ekanligi. Kichik zarracha o'lchamlarida bu ta'sir sezilarli darajada kuchayadi, bu esa yuzada ko'pgina strukturaviy nuqsonlarning paydo bo'lishiga va nanozarrachalar materialini strukturaviy nuqsonlar va kimyoviy aralashmalardan tozalashga olib kelishi mumkin. Hozirgi vaqtda deformatsiya va sinish jarayonlari metall materialning ichki hajmlaridan oldin yupqa sirt qatlamida sodir bo'lishi aniqlandi, bu asosan

rasm. 3.1 Asosiy nanomateriallarning o'ziga xosligi uchun jismoniy sabablar

Shakl.3.2 Interfeyslar, don chegaralari va uchlik bo'g'inlarning hajm ulushlariga bog'liqligi .

Nanozarrachalar uchun butun material sirtga yaqin qatlam sifatida ishlaydi, uning qalinligi taxminan 0,5 ... 20 mikron oralig'ida baholanadi. Elektronlarning erkin sirt bilan o'zaro ta'sirining o'ziga xos xususiyatida o'zini namoyon qiladigan nozik jismoniy ta'sirlarni ham ko'rsatish mumkin.

rasm. 3.3 a) - nanostrukturali materialning atom modeli (o'zgaruvchanligi oshib ketadigan don chegarasi mintaqasi atomlari)
10% atomlararo masofa) ; b) - nanostrukturali misdagi don chegaralari (uzatuvchi elektron mikroskop, belgilar kiritilgan don chegara dislokatsiyasini bildiradi).
(har biri 50% dan) taxminan 5 nm bo'lgan don o'lchamida.Dana hajmi 10 nm dan past bo'lgandan so'ng, uchta bo'g'inlar ulushi kuchli o'sishni boshlaydi. Bu don o'lchamlarining ushbu diapazonida qattiqlikning anomal ravishda pasayishi bilan bog'liq . Murakkab eksperimental tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, don chegaralari yuqori zichlikka ega bo'lgan don chegarasi nuqsonlari mavjudligi sababli muvozanatsiz xarakterga ega (3.3-rasm) . Bu nomutanosiblik don chegaralarining ortiqcha energiyasi va uzoq masofali elastik kuchlanishlarning mavjudligi bilan tavsiflanadi; don chegaralari kristallografik tartiblangan tuzilishga ega, elastik maydonlarning manbalari esa don chegarasi dislokatsiyalari va ularning komplekslaridir. Muvozanatsiz don chegaralari kristall panjaraning yuqori kuchlanishlari va buzilishlarini keltirib chiqaradi, atomlararo masofalarning o'zgarishi va atomlarning sezilarli siljishlarining paydo bo'lishi, uzoq masofali tartibni yo'qotishgacha. Natijada mikrosertlik sezilarli darajada oshadi.
Nanomateryallarda ta'sir qiluvchi muhim omil ham klasterlarni shakllantirish tendentsiyasidir. Atomlarning (atomlar guruhlari) sirt bo'ylab va interfeyslar bo'ylab migratsiyasini osonlashtirish va ular o'rtasida an'anaviy materiallarga qaraganda nanomateriallar uchun kattaroq bo'lgan jozibador kuchlarning mavjudligi (3.4-rasm) ko'pincha o'z-o'zidan paydo bo'lishiga olib keladi. substratda orol, ustunli va boshqa klaster tuzilmalarini tashkil qilish. ... Ushbu effekt allaqachon optika va elektronika uchun buyurtma qilingan nanostrukturalarni yaratishda qo'llanilmoqda .
Nanomateriallar xossalarining o'ziga xosligining yana bir sababi, o'tkazish jarayonlarida (diffuziya, plastik deformatsiyalar va boshqalar) ushbu transferni tashuvchilarning ma'lum bir samarali o'rtacha erkin yo'li Le borligi bilan bog'liq. [4]. O'tkazish jarayonlari hududining xarakterli kattaligi uchun Le ancha katta. tashuvchilarning tarqalishi juda aniq emas, lekin Le dan kichikroq o'lchamlarda transfer juda sezilarli darajada o'lcham va shaklga bog'liq bo'la boshlaydi. Nanomateryallarga kelsak, Le. masalan, diffuziya uzunligi va dislokatsiyalarning o'rtacha erkin yo'li bo'lishi mumkin.