8. Трехмерные наноматериалы

К трехмерным наноситемам относятся объемные наноматериалы (наноструктурированные материалы).

Объекты пониженной размерности, образующие наноматериалы, могут объединятся различными способами. По этому признаку, т.е. по способу объединения, различают следующие образования.

Консолидированные наноматериалы. К ним относятся компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемых методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации и др. Нанозерна этих материалов находятся в консолидированных, т.е. связанных друг с другом, состояниях.

Нанокомпозиты. Нанокомпозиты – это композиты, содержащие наноструктуры любой размерности в любых сочетаниях. Обычно наночастицы погружены в аморфную или поликристаллическую матрицу. Свойства нанокомпозита не сводятся к сумме свойств, входящих в него наночастиц. Например, резонансные линии поглощения металлических наночастиц в стеклянной матрице определяются не только диаметром наночастиц, но и взаимодействием между соседними частицами (т.е. зависят от среднего расстояния между частицами).

Нанопористые материалы. Губка и мочалка в вашей ванне- примеры пористых тел.. Мхи, лишайники, водоросли и многие другие являются пористыми материалами.

Пористые материалы характеризуются наличием большого количества пустоты в своем объеме (рис.194). Эту пустоту называют порами. Численной характеристикой пористых веществ является пористость

Р=V_пор/V100% , (13-12)

где V_{пор -}объем пор_, V– объем материала.

Рис. 194 Снимок поверхности нанопористого материала

Для некоторых материалов Р может достигать 80-90%. Пористые материалы могут заполнять свои пустоты водой, другой жидкостью или газом. Поэтому пористые материалы применяются в качестве фильтров, сит, сорбентов. Сорбенты – вещества . которые хорошо поглощают различные газы. Так активированный уголь , используется в противогазах , или в качестве таблеток , которые Вы используете при газовыделении в Вашем желудке.

Тип пор	Диаметр пор (нм)
Микропоры	≤ 2
Мезопоры	2≤d≤50
Макропоры	d≥50

9. Размерные эффекты и свойства нанообъектов

Рис.195 Схематическое изображение вариантов изменения свойств материала при уменьшении размеров его морфологических элементов

Р

На рис.195 схематично показано, что свойства наноматериала при уменьшении его размеров могут увеличиваться, уменьшаться, имеет экстремальную или осциллирующую зависимость. Следует заметить, что размер с которого начинаются изменения, для каждого свойства индивидуален.

Геометрия и размер частиц существенно влияют на характер зависимостей. Так, например, закон всемирного тяготения и закон Кулона для трехмерного пространства имеют знакомый вид

и

В тоже время двумерного пространства (пленки) эти же законы имеют такой вид

и

В качестве другого примера рассмотрим зависимость теплоемкости твердых тел Сvот температуры при достаточно низких температурах. Так для массивных материалов согласно теории Дебая Сv~T³, для слоистых структур выполняется закон квадратов (Сv~T²)(например, для графита и галлия), для цепочечных структур (кристаллы селена,HF,BiO₃иMgSiO₃) имеет место линейная зависимость (Сv~T), т.е. геометрия и размеры объектов влияют те или иные закономерности.

Кристаллическая решетка и магические числа. Большинство металлов кристаллизуются либо плотноупакованную гранецентрированную кубическую ГЦК-решетку (Ag,Al,Au,Cu,Pb,Rh), либо в гексагональную плотноупакованную ГПУ-решетку (Mg,Os,,Re,Zn). Каждый атом в обеих решетках имеет 12 соседей. На рис.196 показаны 12 соседей атома, находящегося в центре куба (выделен черным цветом) для ГЦК- решетки.

Рис. 196 Элементарная ячейка ГЦК решетки, построенная вокруг центрального атома (затемнен), включает 12 его ближайших соседей.

Наименьшая из теоретических наночастица состоящая из 13 атомов имеет вид (рис.196).

Рис.197 13-ти атомная ГЦК наночастица, имеющая форму 14-гранника

На рис.197 показан четырнадцатигранник с минимальным объемом, который образуется соединением этих атомов плоскими гранями, который называется кубооктаэдром. У этого 14-гранника- шесть квадратных граней и 8 граней в форме равностороннего треугольника. Если нарастить на частицу еще один слой, т.е. добавить к этим 13-ти атомам еще 42, то получится частица той же формы из 55 атомов. Добавляя слои к такой частице, можем получить еще большие по размеру частицы. Они, образуют ряд частиц с суммарным количеством атомов N=1, 13, 55, 147, 309, 561, . . . , которые называютструктурными магическимичислами. Магические числа означают, что частицы, состоящие из этого количества атомов, более стабильны, чем частицы с числом атомов не равным магическому числу. Такое название магические числа носят потому, что они получаются с минимальным объемом и максимальной плотностью наночастицы с формой близкой к сферической, и плотно упакованной структурой, характерной для объемных тел.

Конфигурации наночастиц, в которых электроны образуют заполненные оболочки, особенно устойчивы и порождают электронные магические числа с N= 3, 9, 20, 36, 61, . . . для ГЦК структур.