Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Физики Высоких Технологий

Кафедра материаловедения в машиностроении

РЕФЕРАТ

^по дисциплине

^Общее материаловедение и технологии материалов

Наноматериалы

	^Выполнил :^Мадаминов Н.З.
	^студент		^2		^курса
	^группа	^4Б31
	^Проверил:^Ваулина О.Ю. /доцент/ кафедра ММС

Томск – 2014 г.

Наноматериалы – это материалы, функциональные свойства которых определяются наноуровнем их структуры.

В 1965 году, инженер Гордон Мур предсказал, что число транзисторов на интегральных микросхемах будет удваиваться примерно раз в два года. В наши дни мы называем эти слова законом Мура. Это было практически пророчеством развития компьютерной индустрии.

Чтобы разместить больше транзисторов на одной микросхеме, сами транзисторы должны быть меньше в размерах. Первый чип имел лишь 2200 транзисторов на своей поверхности. Современные микросхемы содержат миллионы компонентов. Несмотря на это, компании намерены доказывать закон Мура. Сейчас уже существуют процессоры, содержащие компоненты, размеры которых измеряются в нанометрах (1 нанометр = 1 миллиардной части метра).

Еще одним достижением последних лет, стало получение нановолокна. Этот тонкий материал имеет удивительные габариты. Ширина нановолокна может быть толщиной всего лишь 1нм, хотя сегодня ученые работают в основном с волокнами 30-60 нм. Ученые надеются, что в скором времени можно будет производить еще более тонкие волокна, однако, для достижения этого необходимо преодолеть очень сложные преграды.

В зависимости от того из чего сделано нановолокно, оно может обладать  свойствами проводника, полупроводника или изолятора. Изоляторы не проводят электрический ток, в то время как металлы могут пропускать электрический заряд через себя очень даже хорошо. Полупроводники обладают проводимостью средней между проводниками и изоляторами. Организовав полупроводниковое волокно определенным образом, можно создать транзисторы, которые в свою очередь будут частью какого либо элемента микросхемы (усилителя, преобразователя частоты, фильтра).

Некоторые любопытные свойства присущи нановолокнам из-за их небольшого размера. Когда Вы работаете с объектами на наноуровне вступают в действие законы квантовой механики. Ее законы сильно отличаются от привычных нам физических законов, царящих в нашем макромире.

Например, изоляторы не могут пропускать электричество через себя. Однако, если изолятор очень тонкий, то электроны могут переместиться с одной стороны проводника на другую. При этом в этом процессе он не проходит через структуру проводника, а туннелируется сквозь него. Это явление можно сравнить с телепортацией. Это загадочное явление может быть легко преодолено с помощью увеличения толщины объекта. Тогда сопротивление изолятора примет привычные значения.

Еще одно замечательное свойство на наноуровне приобретают проводники. Когда по ним течет электричество, электроны сталкиваются с материалами вещества, из которого сделан проводник. Это приводит к выделению (потере) энергии в виде тепла. В нано проводниках электроны могут перемещаться без столкновений и выделения тепла, то есть максимально эффективно.

Кроме того, некоторые вещества в нано количествах могут проявлять отличные от своего привычного состояния свойствах. Например, золото в обычном состоянии имеет температуру плавления 1000 градусов. С уменьшением объема золота до нано частиц температура плавления уменьшается. Также золото с уменьшением масштаба становится полупроводником, хотя на макроуровне золото – проводник.

Однако некоторые элементы, например, кремний не изменяют своих свойств с уменьшением размеров. Это свойство, а также низкая стоимость сделало его наиболее удачным материалом для изготовления транзисторов.

Сейчас существует два основных способа производства наноматериалов. Первый из них от большего к меньшему. Это означает, что нановещество получается путем расщепления большого объема этого же материала. Другой подход от меньшего к большему заключается в сборке наноматериалов из структурных элементов.

Нановолокна могут быть изготовлены с использованием любого из этих подходов, хотя к настоящему времени никто не нашел способа сделать этот процесс массовым. Для изготовления одной микросхемы потребуются многие часы работы целой группы инженеров.

Примером изготовления нано волокно по методу от большего к меньшему является производство нано оптоволокна. Все начинается с обычного оптоволоконного кабеля. Он пропускается через небольшую печку и вытягивается в нановолокно.

Химическое осаждение из газовой фазы – это пример изготовления нано вещества методом от меньшего к большему. Другими словами твердое вещество, получается из газа этого же вещества. Например, берется подложка нужной формы и размеров и помещается в газовую среду необходимо вещества (золота или кремния). Далее остается только ждать, пока газообразное вещество осядет на подложке.

Наиболее очевидное применение наноматериалов в электронике. Микросхемы, построенные на нано материалах наиболее эффективно используют подводимую электроэнергию, практически не выделяя тепла. Это сейчас одна из главных проблем, так современные микросхемы из-за своих небольших размеров сложно охлаждать. Благодаря нано волокнам можно строить миниатюрные сверх высокопроизводительные чипы для различного назначения.

Еще одной большой областью использования наноматериалов является медицина. Одним из самых амбициозных  проектов является строительство нано роботов, которые способны выполнять операции внутри организма без надреза и наркоза. После операции они сами будут бесследно растворяться в организме.

Еще одним замечательным свойством некоторых наноматериалов является пьезоэффект, который может быть использован в микросхемах для выработки электричества из внешней кинетической энергии. Этот же эффект используется в Благодаря ему, например, можно изготовлять самозаряжающиеся сотовые телефоны или ноутбуки.

Особенности нанообъектов определяющие специфику их свойств:

• большая роль поверхности,

• высокая химическая активность,

• высокое совершенство структуры,

• высокая радиационная стойкость,

• уникальные механические свойства,

• Квантоворазмерные эффекты,

• многообразие форм наноструктур.

Основные свойства углеродных наноматериалов – прочность и легкость. Широкая область применения  во многом обусловлена многообразием их структурных форм, среди них графит, алмаз, наноалмаз, карбин, лонедейлит, фуллерены, графен, нанотрубки, нановолокна, аморфный углерод.

Нанесение углеродных пленок из нанотрубок и фуллеренов на гибкие пластмассовые листы применяется при создании экологически безопасных солнечных батарей для космических аппаратов. Этот материал по цене, простоте и безопасности превосходит традиционно используемый в этих целях очищенный кремний.

Технологии крупномасштабного производства водорода достаточно хорошо изучены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкие плотность газообразного водорода и температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов требуют безопасных систем хранения. Для их создания идеально подходят углеродные матрицы, обладающие  всеми необходимыми для этого свойствами – активной поверхностью, высокой пористостью и низкой химической активностью.

В качестве сорбирующего материала композитов для изготовления ракетных шпателей и термозащиты космического корабля с 1950­х годов используются углеродные волокна. Обладая высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельной прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью, они являются также хорошими сорбентами (1 г поглощает до 50 г нефтепродуктов) и превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Это предопределяет возможность их применения в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. Они используются для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых час­тей, деталей двигателей теплопроводящих устройств. Конструкционные материалы на основе углеродных наноструктур благодаря своей легкости позволяют максимально снизить массогабаритные характеристики устройств.

Электропроводность углеродных волокон позволяет создавать на их основе средства защиты изделий ракетной и ракетно­космичеческой техники  от статического  электричества: достаточно ввести в материал 0,02 ­ 1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с поверхностей деталей, изготовленных с использованием этого материала.

Современные газовые сенсорные системы сложны и, как правило, основываются на химическом взаимодействии наноструктурных материалов с окружающей средой. Углеродные наноструктуры, такие как фуллерены, и нанотрубки различной формы обладают уникальной зависимостью электронных свойств (ширины запрещенной зоны, концентрации носителей и т.п.) от химического состава окружающей среды. В настоящее время они являются более перспективным материалом для создания высокочувствительных газовых сенсоров. Благодаря малым размерам, хорошей электропроводности, химической и термической стабильности сенсоры на их основе пригодны для использования в сложных условиях, при больших перепадах температур и давлений, в условиях микрогравитации и космической радиации.

Однако изготовление такого устройства в коммерческом масштабе наталкивается на трудности, связанные с обеспечением хорошего контакта нанотрубки с измерительным устройством, а также со значительным разбросом электрических параметров индивидуальных углеродных нанотрубок. В этой связи более пригодны с практической точки зрения устройства, содержащие боль­шое количество нанотрубок, например массив вертикально­ориентированных нанотрубок. При сохранении миниатюрных размеров они существенно проще в изготовлении и обладают более стабильными рабочими характеристиками.

Электрофизические свойства нанотрубок в зависимости от структуры и хиральности меняются от полупроводниковых до проводниковых, что позволяет использовать их в качестве базовых элементов наноэлектроники. В частности, Y­образные нанотрубки выступят как прототипы нанотранзисторов; Х­образные ­ нанодиодов. И замена медных проводов в микрочипах на нанотрубки будет лишь первым шагом к внедрению на­нотрубок в традиционную электронную продукцию: па­мять, процессоры и в другую микроэлектронику.  В результате модернизированные чипы будут меньше по разме­рам и весу, а модернизиро­ванная электронная часть космических аппаратов замет­но меньше по массогабаритным характеристикам.

Фильтрация газов и жидкостей является особо важной задачей на борту космического аппарата. Многочисленные разработки   фильтров   из   углеродных   нанотрубок   и нановолокон демонстрируют уникальные мембранные свойства этих материлов. Благодаря большой плотности нанопор на единицу площади нанотрубки физика динамики жидкостей и газов отличается от классической. Фильтр с плотностью пор 2,5­10¹¹ на 1 см²пропускает жидкость от 100 до 100 тысяч раз быстрее, чем это предсказывает классическая теория жидкостей. Это позволит создавать на основе наномембраны систему фильтрации и опрес­нения воды, а также фильтры для очистки газов или воздуха.

Другими востребованными наноматериалами являются нанопорошки из диоксида кремния. В работе показано, что с помощью излучения СО₂ лазера из кварцевого стекла можно получать рентгеноаморфные нанодисперсные порошки диоксида кремния с частицами сферической формы размеров  максимум до 80 нм и высокой монодисперсностью их размеров. При увеличении мощности СО₂­лазеров до 5 кВт возможно получение кварцевого нанопорошка с производительностью до 5 кг/ч. 

Интерес также вызывают наноматериалы с эффектом памяти формы. Их используют для создания наноустройств, а также инструментов­манипуляторов, необходимых для формирования наноструктур различного назначения.