Удивительные свойства наноматериалов

3 УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ

Особенности наноструктурного (ультрадисперсного) состояния вещества наиболее заметно проявляются при изучении разделенных наночастиц, когда их размер можно рассматривать как физический параметр наряду с составом, температурой и давлением. К главным физическим причинам особенностей структуры и свойств ультрадисперсных (нано-) материалов можно отнести три: ограничение действия законов классической физики из-за небольшого количества атомов и малого размера, значительный рост удельной поверхностной энергии и экстремальные условия синтеза [1,2].

По этим причинам наноструктурные материалы являются одним из видов неравновесного состояния вещества, в котором могут реализовываться нестабильные (метастабильные) структуры (например, несплошные и потому не объяснимые из представлений классической теории пространственных групп симметрии фуллерены и нанотрубки), высокотемпературные фазы (алмаз, кубический оксид циркония), структурная, концентрационная или фазовая неоднородности по радиусу наночастицы и другие [3]. Теоретические оценки атомного строения отдельных наночастиц никеля и золота соответственно из 736 и из 1047 атомов, показали, что устойчивому состоянию отвечает модель, отличающаяся от массивного кристалла. В малой частице вдоль каждого направления межатомные расстояния монотонно изменяются от центра к поверхности, так что максимальное сжатие (до нескольких процентов) осуществляется в поверхностных слоях. По критерию, предложенному Л. Д. Ландау, — по функции атомного распределения - наноматериалы занимают промежуточное положение между кристаллами и аморфными веществами.

Особенности структуры обуславливают особенности свойств ультрадисперсных (нано-) материалов которые часто своеобразны, а иногда уникальны, что можно широко использовать практически. Свойства наносистем определяются, в первую очередь, свойствами индивидуальных наночастиц и их взаимодействием. Первые зависят от элементного и фазового состава, атомного строения (типа и степени упорядочения), дефектности и морфологии, размера и количества кристаллитов. Вторые определяются размером взаимодействующих частиц, их поверхностной энергией, концентрацией и равномерностью плотности. И те и другие проявляют размерную зависимость, а при размерах сравнимых с длиной волны де Бройля появляются и квантовые размерные эффекты.

Обобщая многочисленные расчетные и экспериментальные данные, можно отметить, что отличие свойств наноматериалов по сравнению со свойствами аналогичных крупнокристаллических проявляется следующим образом [4]:

Механические: увеличение твердости (из-за отсутствия протяженных дефектов) в сочетании с высокой (супер-) пластичностью (благодаря развитой сетке границ и зернограничному проскальзыванию), увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости.

Электрические: размерная зависимость работы выхода электронов и электросопротивления, полупроводниковый характер проводимости очень малых наночастиц металлов (из-за ограниченного числа свободных электронов).

Магнитные: суперпарамагнетизм (при размере частиц менее 1 домена), максимальная коэрцитивная сила в монодоменных частицах, гигантское магнетосопротивление.

Термические: уменьшение температур Дебая, плавления, фазовых переходов, спекания на 15-20 % (из-за изменения спектра фононов) при увеличении коэффициента термического расширения и теплоемкости.

Оптические: изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения, увеличенное рассеяние, способность реализации «черного тела».

Химические: увеличение растворимости (до 20-25 %) в кислотах, понижение температур химических реакций, отсутствие «индукционного» периода.