Системы с приставкой «нано»: трубки, волокна, мембраны



Сегодня наносистемы распространены почти во всех сферах и науках, они представляют огромный интерес для фундаментальной науки и практических приложений. В России нанотехнологии рассматриваются как одно из наиболее приоритетных направлений в инновационном развитии страны. Практически во всех развитых странах в данной области существуют крупные национальные проекты. Для современных ученых и специалистов, в какой бы области они не работали, знание наносистем становится необходимым элементом общей эрудиции и квалификации. В данной работе мы рассмотрим основные понятия об системах с приставкой «нано-», их характеристику и способы применения в нашей жизни.

Приставка «нано» в сегодняшние дни является едва ли не символом передовых технологий. И действительно, наукоёмкие отрасли промышленности полным ходом используют пресловутые нанотехнологии для достижения большего эффекта в производстве.

Под наносистемой понимают систему, содержащую объект, хотя бы одно из измерений которого составляет величину 1−100 нм, «определяющие основные свойства и характеристики этой системы» [1]

Нано- дольная приставка в системе единиц СИ, означающая множитель 10 в –9 степени с греческого греческого переводится как «гном», «карлик»

Нановолокна производят посредством самосборки, формования из расплава, электропродувки, синтеза на темплатах, силового спиннинга и других методов. Однако электроформование сегодня остаётся единственным промышленным способом изготовления, при котором раствор из полимеров формирует нановолкна и является источником высокого электрического напряжения. Промышленное же использование нановолокна началось с 1938 года. Правда, первые попытки не приносили существенных успехов. А поточное производство и использование нановолокон началось в 80-х годах прошлого столетия. За 25 лет наука сильно шагнула вперёд в этом направлении. И нынче применение нановолокна поистине многообразно: строительство, сельское хозяйство, транспортное сообщение, медицина, военная промышленность — трудно представить себе значимую отрасль человеческой деятельности, в которой бы сегодня не использовались нановолокна. Наиболее часто их применяют в технологиях очистки воздуха, так как они прекрасно избавляются от самых мелких частиц, включая вирусы и бактерии. А американские ученые из научной лаборатории ВМС разработали полимерные нановолокна, которые способны удалять химические и биологические загрязнения. Это изобретение наверняка найдёт своё применение в производстве средств индивидуальной защиты для военнослужащих и мирного населения.

Кроме того, нановолокна позволяют улучшать принципиальные характеристики различных материалов, влияя на их электропроводность, прочность, химическую активность и многие другие качества.

В сфере медицины нановолокна используются в области лечения ран и инженерии тканей. В частности, они применяются в мануфактуре повязок, а также для создания искусственных костей, восстановления кровеносных сосудов и нервной системы. Изобретённый чешской фирмой «Contipro» лабораторный прибор 4SPIN(R) может изготавливать волокно с упорядоченной структурой из органического вещества, которое не отторгается человеческим организмом. Нановолокно производится данным прибором из гиалуроновой кислоты — полисахарида, содержащегося в коже человека и внутренней части глаза. Создатели прибора утверждают, что данное нановолокно способно создавать новые хрящи, восстанавливать поврежденные нервы. [4]

Нанотрубки — это аллотропная модификация углерода. Чтобы представить себе их строение, обратимся к самой устойчивой форме углерода — графиту. Его кристаллическая решетка состоит из отдельных плоских слоев, образованных правильными шестиугольниками. Каждый атом углерода в слое находится в sp²-гибридном состоянии и связан с тремя соседними атомами, угол между связями составляет 120°. В образовании связей внутри слоя принимают участие 3 из 4 валентных электронов каждого атома. Электронные облака оставшихся электронов слабо перекрываются друг с другом, соединяя между собой отдельные слои. Связи между слоями намного слабее, чем связи внутри слоя.

Плоский двумерный слой правильных шестиугольников из атомов углерода называют графеном. В 2004 г. группе ученых из Англии и России удалось выделить такой слой из монокристалла графита и разместить его в виде пленки на поверхности кремниевой подложки. Слой оказался неплоским — он имел волнообразную структуру (рис.1), что подтвердило предположения ученых о неустойчивости двумерных кристаллов. Если же несколько слоев графена разместить один на другом, то поверхность становится плоской.

Рис. 1. Структура графенового слоя

Если из графенового слоя вырезать прямоугольник и соединить его противоположные края, получится полый цилиндр Объекты такой формы называют одностенными, или однослойными, углеродными нанотрубками. Типичные трубки имеют диаметр несколько нанометров и длину от одного до нескольких микрометров, что позволяет считать их одномерными структурами. Трубки могут быть вложены одна в другую наподобие матрешек — такие трубки называют многостенными, или многослойными (рис. 2).

Рис. 2. Одностенные (а) и многостенные (б) углеродные трубки

Как правило, получают однослойные нанотрубки благодаря изменению температуры реакции. Осаждение из газовой фазы. Метод осаждения паров углерода был изобретен в конце 50-х годов. Но никто даже и не предполагал, что с помощью него можно получать углеродные нанотрубки. Итак, для начала необходимо подготовить поверхность с катализатором. В качестве него могут служить мелкие частицы разных металлов, например, кобальта, никеля и многих других. Нанотрубки начинают появляться из слоя катализатора. Их толщина напрямую зависит от размера катализирующего металла. Поверхность нагревается до высоких температур, а затем происходит подвод газа, содержащего углерод. Среди них — метан, ацетилен, этанол и т. д. В качестве дополнительного технического газа служит аммиак. Данный способ получения нанотрубок является самым распространенным. Сам процесс происходит на различных промышленных предприятиях, благодаря чему затрачивается меньше финансовых средств для изготовления большого количества трубок. Еще одним преимуществом такого метода является то, что вертикальные элементы могут получиться из любых частиц металла, служащих катализатором. Получение стало возможным благодаря исследованиям Суоми Ииджима, который наблюдал под микроскопом за их появлением в результате синтеза углерода.

Среди достоинств углеродных нанотрубок можно выделить особые свойства. Они являются прочным материалом, который под действием механических воздействий не разрушается. Кроме того, они хорошо работают на изгиб и растяжения. Это стало возможным благодаря замкнутой каркасной структуре. Их применение не ограничивается одной отраслью. Трубки нашли применение в автомобилестроении, электронике, медицине и энергетике. Огромным недостатком является негативное воздействие на здоровье человека. Частички нанотрубок, попадая в организм человека, приводят к возникновению злокачественных опухолей и рака. Существенной стороной является финансирование этой отрасли. Многие люди не хотят вкладываться в науку, так как для получения прибыли необходимо много времени. А без функционирования научно-исследовательских лабораторий развитие нанотехнологий невозможно. [3]

Часто объемная доля наночастиц в композитах обычно мала, и они расположены друг относительно друга нерегулярным образом. Это приводит к тому, что длинные полимерные цепочки, образующие матрицу, перепутываются между собой, вследствие чего прочность композита падает.

Авторы работы [K. E. Mueggenburg et al, Nature Mater. 6, 656 (2007)] приготовили нанокомпозит, соответствующий противоположному предельному случаю: в нем сферические наночастицы Au образуют плотноупакованный квазидвумерный монослой и прочно сцеплены друг с другом посредством молекул додекантиола (ДТ). Расстояние между соседними наночастицами (1.7 нм) намного меньше их диаметра (6 нм), и поэтому молекулы ДТ, соединяющие разные наночастицы, не перепутываются. Это приводит к значительному увеличению прочности монослоя. Если такой монослой сформировать на подложке, в которой предварительно проделано круглое отверстие диаметром ~ 1 мкм, то на отверстии образуется мембрана (см. рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение монослоя из наночастиц Au и молекул ДТ закрывающего отверстие в подложке Si3N4

Измерения, выполненные с помощью атомного силового микроскопа, показали, что такие мембраны хоть и тонкие, но очень прочные: их модуль Юнга в среднем составляет около 6 ГПа. Высокая прочность мембран прекрасно сочетается с их эластичностью: изгиб под прямым углом вблизи краев отверстия имеет место на длине ~ 10 нм (несколько диаметров наночастиц) Мембраны сохраняют свои упругие свойства при нагревании (механические повреждения после воздействия иглы микроскопа отсутствуют вплоть до T ≈ 400 К).

Такая термостойкость обусловлена, по-видимому, тем, что край мембраны жестко фиксирован, и поэтому расстояние между наночастицами при нагревании почти не изменяется. В отличие от большинства полимеров, системы плотноупакованных наночастиц проводят электрический ток (за счет туннельного механизма). Поскольку туннельное сопротивление экспоненциально зависит от расстояния между наночастицами, наномембраны можно использовать в качестве очень чувствительных электронных датчиков давления. [5]

На сегодняшний день, в материаловедении заметно повысился практический интерес к наноматериалам. Они играют важную роль в иновационный технологиях Многие специалисты прогнозируют рост данной отрасли в ближайшие годы. Будет наблюдаться значительное увеличение производственных возможностей, что приведет к снижению стоимости на товар. С уменьшением цены «нано» трубки, волокна и мембраны будут пользоваться огромным спросом и станут незаменимым материалом для многих устройств и оборудования.

Литература:

1. С приставкой «Нано» // http://newnano.ru. URL: http://newnano.ru/novosti-i-tehnologii/tehnologii/s-pristavkoi-nano.html (дата обращения: 20.12.2016)
2. Золотухин И. В. Углеродные нанотрубки. Сорос. образоват. журн., 1999, № 3, с. 111–115
3. Углеродные нанотрубки. Применения. Свойства // http://fb.ru. URL: http://fb.ru/article/231011/uglerodnyie-nanotrubki-proizvodstvo-primenenie-svoystva (дата обращения: 20.12.2016)
4. Нановолокно. Технология будущего // http://femina-maskulina.ru. URL: http://femina-maskulina.ru/katalog-statej/obschetematicheskie/tehnika/nanovolokno-tehnologija-buduschego (дата обращения: 20.12.2016)
5. Наномембраны // http://www.nanonewsnet.ru. URL: http://www.nanonewsnet.ru/news/2007/nanomembrany (дата обращения: 20.12.2016)