Большая часть нанонауки и многих нанотехнологий связаны с производством новых или улучшенных материалов.
Сверху вниз и снизу вверх
Наноматериалы могут быть сконструированы сверху вниз, производя очень маленькие структуры из больших кусков материала, например, путем травления для создания цепей на поверхности кремниевого микрочипа.
Они также могут быть созданы восходящими методами, атом за атомом или молекула за молекулой. Один из способов сделать это - самосборка, при которой атомы или молекулы объединяются в структуру благодаря своим природным свойствам. Кристаллы, выращенные для полупроводниковой промышленности, являются примером самосборки, как и химический синтез больших молекул.
Второй способ - использовать инструменты для перемещения каждого атома или молекулы по отдельности. Хотя эта «позиционная сборка» обеспечивает больший контроль над конструкцией, в настоящее время она очень трудоемка и не подходит для промышленного применения.
Важность методов сканирования зондов
Прошло 25 лет с тех пор, как был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), а спустя четыре года появился атомно-силовой микроскоп, и именно тогда нанонаука и нанотехнологии действительно начали развиваться. Различные формы сканирующих зондовых микроскопов, основанные на этих открытиях, имеют важное значение для многих областей современных исследований. Сканирующие зондовые методы стали рабочей лошадкой для исследований в области нанонауки и нанотехнологий.
Современные применения наноразмерных материалов включают очень тонкие покрытия, используемые, например, в электронике и активных поверхностях (например, самоочищающиеся окна).
В большинстве применений наноразмерные компоненты будут фиксированными или встроенными, но в некоторых, таких как те, которые используются в косметике и в некоторых пилотных применениях по восстановлению окружающей среды, используются свободные наночастицы.
Способность обрабатывать материалы с очень высокой точностью и точностью (лучше 100 нм) приводит к значительным преимуществам в широком спектре отраслей промышленности, например, в производстве компонентов для информационных и коммуникационных технологий, автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Определение наноматериалов
Если 50% или более составляющих частиц материала в распределении по размерам имеют один или несколько внешних размеров в диапазоне размеров от 1 до 100 нм, то материал представляет собой наноматериал. Следует отметить, что доля в 50% с одним или несколькими внешними размерами между 1 нм и 100 нм в распределении чисел по размерам всегда составляет менее 50% в любой другой широко используемой метрике распределения размеров, такой как площадь поверхности, объем, масса или интенсивность рассеянного света. На самом деле это может быть крошечная доля от общей массы материала.
Даже если продукт содержит наноматериалы или когда он высвобождает наноматериалы во время использования или старения, сам продукт не является наноматериалом, если только сам материал в виде частиц не отвечает критериям размера и фракции частиц.
Объемная удельная площадь поверхности (VSSA) может использоваться при определенных условиях, чтобы указать, что материал является наноматериалом. VSSA равна сумме площадей поверхности всех частиц, деленной на сумму объемов всех частиц. VSSA> 60 м 2 / см 3 , вероятно, будет надежным показателем того, что материал является наноматериалом, если только частицы не являются пористыми или имеют шероховатую поверхность, но многие наноматериалы (согласно основному критерию на основе размера) будут иметь VSSA меньше чем 60 м 2 / см 3 . Поэтому критерий VSSA> 60 м 2 / см 3 можно использовать только для того, чтобы показать, что материал является наноматериалом, а не наоборот., VSSA образца можно рассчитать, если распределение частиц по размерам и формам частиц известны подробно. Обратное (вычисление распределения размера по значению VSSA) невозможно.
Размеры наноматериалов
Эта классификация основана на количестве размеров материала, которые находятся за пределами наноразмерного (<100 нм) диапазона.
Соответственно, в нульмерных (0D) наноматериалах все размеры измеряются в наноразмерном диапазоне (никакие размеры не превышают 100 нм). Чаще всего 0D наноматериалы представляют собой наночастицы.
В одномерных наноматериалах (1D) одно измерение находится за пределами наноразмера. Этот класс включает нанотрубки, наностержни и нанопроволоки.
В двумерных наноматериалах (2D) два измерения находятся за пределами наноразмера. Этот класс демонстрирует пластинчатые формы и включает графен, нанопленки, нанослои и нанопокрытия.
Трехмерные наноматериалы (3D) - это материалы, которые не ограничены наноразмерами ни в одном измерении. Этот класс может содержать объемные порошки, дисперсии наночастиц, пучки нанопроволок и нанотрубок, а также мультинанослои.
наноразмерные размеры
Основные различия между наноматериалами и сыпучими материалами
Два основных фактора заставляют свойства наноматериалов существенно отличаться от других материалов: увеличенная относительная площадь поверхности и квантовые эффекты. Эти факторы могут изменить или улучшить такие свойства, как реактивность, прочность и электрические характеристики.
По мере того как частицы уменьшаются в размерах, на поверхности обнаруживается большая доля атомов по сравнению с внутренними. Например, частица размером 30 нм имеет 5% своих атомов на своей поверхности, при 10 нм 20% своих атомов и при 3 нм 50% своих атомов.
Таким образом, наночастицы имеют гораздо большую площадь поверхности на единицу массы по сравнению с более крупными частицами. Поскольку рост и каталитические химические реакции происходят на поверхностях, это означает, что данная масса материала в форме наночастиц будет гораздо более реакционноспособной, чем та же масса материала, состоящая из более крупных частиц.
Чтобы понять влияние размера частиц на площадь поверхности, рассмотрим монету American Silver Eagle. Этот серебряный доллар содержит 31 грамм серебра и имеет общую площадь поверхности около 3000 квадратных миллиметров. Если бы такое же количество серебряных монет было разделено на крошечные частицы - скажем, 10 нанометров в диаметре - общая площадь поверхности этих частиц составила бы 7000 квадратных метров (что равно размеру футбольного поля) или больше, чем площадь пола в Белом доме, который составляет 5100 кв. Другими словами: когда количество серебра в монетах, содержащееся в серебряном долларе, преобразуется в частицы размером 10 нм, площадь поверхности этих частиц более чем в 2 миллиона раз превышает площадь поверхности серебряного доллара!
Свойства наноматериалов
Вместе с эффектами площади поверхности квантовые эффекты могут начать доминировать в свойствах вещества, поскольку размер уменьшается до наноразмера. Они могут влиять на оптическое, электрическое и магнитное поведение материалов, особенно когда структура или размер частиц приближается к меньшему концу наноразмерного уровня. Материалы, которые используют эти эффекты, включают квантовые точки и лазеры с квантовыми ямами для оптоэлектроники.
Для других материалов, таких как кристаллические твердые вещества, поскольку размер их структурных компонентов уменьшается, в материале существует гораздо большая площадь поверхности. Это может сильно повлиять как на механические, так и электрические свойства.
Например, большинство металлов состоит из небольших кристаллических частиц. Границы между частицами замедляют или останавливают распространение дефектов, когда материал находится в напряженном состоянии, что придает ему прочность. Если эти частицы сделать очень маленькими или даже наноразмерными по размеру, площадь поверхности внутри материала значительно увеличивается, что повышает его прочность. Например, нанокристаллический никель так же прочен, как и закаленная сталь.
Понимание поверхностей и интерфейсов является ключевой проблемой для тех, кто работает с наноматериалами, и та, где новые инструменты визуализации и анализа имеют жизненно важное значение.
