Несмотря на широкое определение, мы относим к наноматериалам те, которые имеют хотя бы одно измерение в наномасштабе, т.е. менее 100 нм. Материалы, которые имеют одно измерение в наномасштабе, представляют собой слои (например, графен), тонкие пленки или поверхностные покрытия. Некоторые детали компьютерных микросхем попадают в эту категорию. Двумерные материалы на наноуровне — это нанопроволоки и нанотрубки, а трехмерные материалы на наноуровне — это наночастицы, например, коллоиды и квантовые точки (наноразмерный кристалл полупроводникового материала). Нанокристаллические материалы, состоящие из наноразмерных зерен, также попадают в эту категорию. Некоторые из этих материалов уже хорошо известны и успешно применяются на практике, но другие еще являются предметом исследований.
Два основных фактора определяют наноматериалы как таковые и существенно отличают их от других материалов — увеличенная относительная площадь поверхности и квантовые эффекты. Эти факторы могут изменять или улучшать такие свойства, как реактивность, прочность, электрические характеристики. Чем меньше размер частиц, тем больше атомов находится на поверхности материала. Например, при размере частиц 30 нм на поверхности находится 5 % атомов, при 10 нм — 20 % атомов, при 3 нм — 50 % атомов. Таким образом, наночастицы имеют гораздо большую площадь поверхности на единицу массы, чем более крупные частицы. Поскольку рост и каталитические химические реакции происходят на поверхности, это означает, что данная масса материала наночастиц будет гораздо более реакционноспособной, чем материал с более крупными частицами.
Чтобы лучше представить влияние размера частиц, возьмем в качестве примера серебряную монету, изготовленную из 31 грамма серебра и общей площадью около 3000 квадратных мм. Если такое же количество серебра разделить на мелкие частицы диаметром 10 нм, то общая площадь этих частиц составит 7000 квадратных метров. - размером с футбольное поле или более чем в 2 миллиона раз больше площади монеты.
Свойства наноматериалов
В сочетании с эффектами площади поверхности квантовые эффекты могут начать доминировать над обычными свойствами материи, когда размер частиц уменьшается до наномасштаба. Это может повлиять на оптическое, электрическое или магнитное поведение материалов, особенно когда структура или размер частиц приближаются к самым низким значениям в наномасштабе. Материалами, использующими эти эффекты, являются квантовые точки и квантово-каскадные лазерные диоды для оптоэлектроники.
Для других материалов, например. твердые кристаллы, чем меньше размер их структурных элементов, тем больше площадь взаимодействия между частицами. Это может существенно повлиять на механические и электрические свойства. Например, большинство металлов состоят из мелких кристаллических зерен, а границы зерен замедляют или предотвращают распространение дефектов, что повышает прочность материала. Если структурные зерна очень мелкие (в наномасштабе), это увеличит площадь взаимодействия и сделает материал прочнее. Например, нанокристаллический никель по прочности не уступает закаленной стали.