5
Введение
блоков, но и то скачкообразное изменение свойств вещества, кото-
рое происходит в наноматериале благодаря малому размеру состав-
ляющих его блоков.
Необходимо учитывать, что понятие о наноматериале отличает-
ся от таких широко известных и распространенных понятий, как вы-
сокодисперсные системы, ультрамелкозернистые, сверхмелкозерни-
стые или сверхтонкие вещества. Отличие связано с тем, что понятие
о наноматериале включает в себя количественную характеристику:
размер частиц, зерен или строительных
блоков отражен приставкой
нано
, которая означает
нанометр
(10
–9
м), т. е. конкретный масштаб
размеров. В вышеперечисленных понятиях характеристика разме-
ра строительных блоков отражается лишь относительно —
ультра-
или
сверх
малый размер, поэтому такие понятия не являются количе-
ственными.
Понятие о наноматериале отличается и от другого широко рас-
пространенного понятия о субмикрокристаллическом материале.
Свойства субмикрокристаллических материалов, так же как и свой-
ства наноматериалов, отличаются от свойств крупнокристалличе-
ских, крупнозернистых и монокристаллических материалов. Однако
отличие свойств связано с повышенной удельной поверхностью, что
приводит к ускорению различных процессов, например химических
реакций, но не приводит к уменьшению энергии активации процес-
сов, т. е. к снижению минимальных температур
начала атомных про-
цессов. В субмикрокристаллических материалах размер частиц, зерен
или строительных блоков предполагается меньшим микрометра. Ми-
крометр, как и нанометр, является количественной характеристикой,
однако между
нано
материалами и
субмикро
кристаллическими мате-
риалами существует принципиальная разница. Именно наносостоя-
ние, а не субмикрокристаллическое состояние, является промежуточ-
ным между молекулярным и твердотельным состояниями. Именно
на нанометровых расстояниях формируются свойства твердого тела.
В этом же заключается и физическая причина того,
что значительное
изменение свойств наблюдается в нанометровом режиме. Дело в том,
что расстояние, на котором действуют основные силы взаимодействия
в веществе, варьируется в диапазоне от одного до нескольких десят-
ков нанометров. Необходимо отметить, что разные типы взаимодей-
ствия: электрон-электронные, электрон-фононные, фонон-фонон-
6
Введение
ные, магнон-магнонные и т. д. — простираются на разные расстояния
в одном и том же веществе. В связи с этим проявление наноэффек-
тов на разных свойствах в конкретном
веществе может происходить
при различных размерах наночастиц. Понятно, что ни о каком маги-
ческом значении размера наночастиц как для одного и того же, так
и для разных веществ говорить не приходится.
Наноматериалы часто называют
нанокристаллическими
мате-
риалами. Это тоже не всегда оправданно. Понятие о нанокристалли-
ческом материале включает в себя то, что строительные блоки таких
материалов — частицы или зерна — являются кристаллами. Однако
наноматериалы, как правило, являются термодинамически нерав-
новесными системами, а значит, и их
строительные блоки не обя-
зательно обладают хорошей кристаллической структурой, скорее,
наоборот. Строительные блоки в наноматериалах имеют сильно де-
фектную структуру, часто приближенную к аморфному состоянию.
Другими словами, в строительных блоках большинства наноматериа-
лов дальний порядок сильно нарушен, а роль многочастичных корре-
ляций в расположении атомов берет на себя ближний порядок. В связи
с этим часто и оправданно используют более точное и полное назва-
ние наноматериалов —
наноструктурированные материалы
.
Наноматериалы многообразны, поэтому
существуют различные
типы их классификации. Наиболее удачная классификация наномате-
риалов выполняется по размерности строительных блоков или струк-
турных элементов, из которых они состоят. Основными типами нано-
кристаллических материалов по размерности являются нульмерные
(0D), одномерные (1D), двухмерные (2D) и трехмерные (3D) нано-
материалы.
К нульмерным наноматериалам относят нанокластерные мате-
риалы и нанодисперсии (суспензии, коллоидные растворы), т. е. та-
кие материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга.
К одномерным наноматериалам относят нановолоконные (нанопрут-
ковые) и нанотубулярные материалы. Причем длина волокон (прут-
ков) или трубок может составлять от 100 нм до десятков микроме-
тров. К двухмерным наноматериалам относят пленки с нанометровой
толщиной. Часто наночастицы в 0D, 1D и 2D наноматериалах распо-
ложены в какой-либо жидкой или твердой матрице или находятся
на подложке. К трехмерным наноматериалам относят порошки, во-
7
локонные, многослойные и поликристаллические материалы, в ко-
торых 0D, 1D и 2D частицы плотно прилегают друг к другу, образуя
между собой поверхности раздела — интерфейсы. Важным примером
трехмерного наноматериала является поликристалл с нанометровым
размером зерен. В таком трехмерном наноматериале весь объем за-
полняется нанозернами, а свободная поверхность зерен практически
отсутствует, имеются только границы раздела между зернами — ин-
терфейсы. Образование интерфейсов и «исчезновение» поверхности
наночастиц в трехмерных наноматериалах принципиально важно для
проявления свойств.
Действительно, свойства сильно агломерированного нанопорош-
ка могут существенно отличаться от свойств компактного нанома-
териала, состоящего из
частиц такого же размера, как и в порошке.
Получению именно таких наноматериалов в последние два десятиле-
тия уделялось огромное внимание. Именно такие трехмерные нано-
материалы будут применяться в твердосплавной промышленности,
авиастроении и других областях. Применение нульмерных нанома-
териалов следует ожидать в медицине и биологии, а также в нано-
электронике. Одномерные и двухмерных материалы уже с успехом
используются в наноэлектронике, нанофотонике и т. д.