Кушербаева М.Р.

Таразский государственный педагогический институт

Адилова А.К.

Таразский государственный университет имени М.Х.Дулати

Изучение физических свойств наноматериалов

Актуальность работы. Развитие нанотехнологии открыло возможности проводить исследования в области композиционных наноматериалов и в настоящее время позволило перейти к созданию и использованию перспектив-ных полимерных материалов для сенсоров, катализа, наноэлектроники и др.Изучение свойств систем, содержащих наноразмерные объекты, интересно и важно с точки зрения, как фундаментальной науки, так и практического применения таких систем и объектов в ряде новых технологий.

Цели и задачи исследования. Цель данного исследования является изучение физических свойств наноматериалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1.Сбор и обработка информации по данной теме

2. Рассмотрение разных наноматериалов и изучение их физических свойств

3.Применение наноматериалов в нанотехнологиях.

Объектом работы являются нанотехнологии, предметом изучения некоторые виды наноматериалов.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в рассмотрение и изучение наноматериалов, так как нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь.

Что такое нанотехнологии?

Нанотехноло́гия (греч. nanos - «карлик», «техно» - искусство, «логос» - учение, понятие) – область науки и техники, занимающаяся изучением свойств частиц и созданием устройств, имеющих размер порядка нанометра. Слово нанотехнология придумал и ввел профессор Токийского научного университета Норио  Танигучи еще в 1974 году. По мнению Танигути, нанотехнология включает обработку, разделение, объединение и деформацию отдельных атомов и молекул вещества, при этом размер наномеханизма не должен превышать одного микрона, или тысячи нанометров. В настоящее время под термином «нанотехнология» подразумевают совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы макромасштаба. В настоящее время нанотехнологии - это самое финансируемое научное направление. Объем рынка наноматериалов сегодня оценивается в 2,5 млрд евро. По самым различным оценкам, объем мирового рынка технологий, основанных на применении наноматериалов, к 2010 году достигнет 100 миллиардов евро. К 2015 году мировой рынок продукции нанотехнологий, по оценкам экспертов, составит триллион долларов США при потребности в специалистах более двух миллионов человек.

Что такое «нано» и откуда всё началось?

Это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т. е. поделена на единицу с девятью нулями- 1 000 000 000. Например, 1 нанометр-это миллиардная часть метра (1 нм = 10^–9 м). Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент (рис. 1). Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = 12,75 × 10⁶ м ≈ 10⁷ м) в 100 миллионов (10⁸) раз, то получим примерно 10^–1 м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча-22 см, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 × 10^–1 м ≈ 10^–1 м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (10⁸) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм (приблизительно диаметр углеродной молекулы фуллерена C₆₀, по своей форме похожего на футбольный мяч-см. рис. 1).

Рис. 1. Соотношение диаметров Земли (≈ 10⁷ м), футбольного мяча (≈ 10^–1 м) и молекулы C₆₀ (≈ 10^–9 м = 1 нм).

Классификация наноматериалов:

- Нановолокна - это волокна, диаметр которых не превышает 100 нм. Используются нановолокна в биомедицине, а также при создании специальных тканей и фильтров. Кроме того, нановолокна используются в качестве армирующего вещества для упрочнения керамики, пластика и других материалов (нанокомпозиты)

- Наножидкости (коллоидные растворы, нанозоль) - это жидкости, в которых равномерно распределены твердые наночастицы. Используются наножидкости в различных вакуумных системах (электронные микроскопы, вакуумные печи и т.д.).

- Нанокристаллы - это наночастицы вещества, строение которых упорядочено. Нанокристаллы, как и обычные кристаллы имеют выраженную огранку. Используются нанокристаллы во флуоресцентных маркерах и электролюми-несцентных панелях.

- Нанокластеры - это скопление наночастиц, которое в целом можно рассматривать, как  поликристаллическую или аморфную наноструктуру. Хотя бы один базовый размер нанокластера  должен лежать в пределах от 1 до 10 нм.

Примеры наноматериалов. а)нанотрубки

Углеродная нанотрубка (англ. сarbon nanotube) – цилиндрическая молекула, состоящая из одних лишь атомов углерода. Имеет диаметр около 1 нанометра и длину от одного до сотен микрометров. Внешне выглядит как свернутая в цилиндр графитовая плоскость. Углеродные нанотрубки являются относительно молодым открытием. Нанотрубки бывают однослойными и многослойными.

б) фуллерен

Фуллерен–это молекула, состоящая из атомов углерода и является третьей, после алмаза и графита, аллотропной формой углерода. Фуллерен – это единственная молекуляр-ная форма углерода, в отличии от алмаза и графита, которые являются лишь кристаллическими формами с определенным пространственным расположе-нием атомов углерода в решетке. Фуллерены получают преимущественно электродуговым, а также электроннолучевым или лазерным распылением графита в атмосфере гелия. Образующаяся сажа конденсируется на холодной поверхности реактора, собирается и обрабатывается в кипящем толуоле, бензоле, ксилоле или других органических растворителях. После выпаривания раствора образуется черный конденсат, который примерно на 10–15% состоит из смеси фуллеренов C₆₀ и C₇₀, а также небольших количеств высших фуллеренов.

в) графен

Графен – одна из аллотропных форм углерода, моноатом-ный слой атомов углерода с гексагональной структурой. Графен был открыт в 2004 Андрея Гейма и Константином Новоселовым из Манчестерского универстета. За это открытие Гейм и Новоселов были награждены Нобелевской премией.Графен- пленка толщиной в один атом, образованная двухмерной шестиугольной кристаллической решеткой из атомов углерода.Графен обладает уникальным свойством-его скорость электропроводности сопоставима со скоростью света.

г) ферромагнитная жидкость

Ферромагнитная жидкость (ФМЖ) - искусственная жидкость с магнитными свойствами. При воздействии на нее магнитным полем, частицы феррожидкости выстраиваются в соответствии с силовыми линиями поля, создавая как бы ее визуальную проекцию. Феррожидкость также носит названия «феррофлюид» или просто «магнитная жидкость». В состав ферро-жидкости входит основа – органическая жидкость (это может быть вода, масло, вообще любой органический раствор), поверхностно – активное вещество (чтобы частицы не слипались), и сами наночастицы ферромагнетика – мельчайшие (порядка 10 нм) магнитные частицы

д) аэрогель

Аэроге́ли (от лат. aer-воздух и gelatus- замороженный) -класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д.

е) Эффект Лотоса

Эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос (Nelumbo), и других растений, как например настурция, тростник обыкновенный и водосбор.