Застосування нанотехнологій

Хімія відіграє велику роль у вирішенні найбільш актуальних проблем сучасного людства. До їх числа належать:

1 ) синтез нових речовин і композицій із заданими властивостями, необхідних для вирішення різних технічних завдань;

2) збільшення ефективності штучних добрив для підвищення врожайності сільськогосподарської продукції та синтез продуктів харчування з несільськогосподарського сировини;

3 ) розробка і створення нових джерел енергії;

4 ) охорона навколишнього середовища;

5) з'ясування механізму біохімічних процесів та їх реалізація в штучних умовах;

6 ) освоєння океанічних джерел сировини.

Для вирішення ряду проблем - електроніки, біології, хімії - великих розмірів об'єктів не потрібно, навпаки, зменшення розмірів в електроніці не тільки дозволило вирішити ті ж самі завдання, але і значно поліпшити практично всі характеристики виробів, причому в ряді областей науки і техніки зменшення розмірів є необхідною умовою вирішення проблем. 

Технології, що використовуються для цього, можна грубо розділити на дві частини. 

У ряді випадків нанооб'єктів можна отримувати з великою заготовки, шляхом видалення зайвого матеріалу. Такі технології іноді називають «зверху вниз» (Рис.2). Прикладом таких технологій є застосування тонкого перемолу (сухого і тонкого) матеріалу, обколювання, відпилювання і т.д. 

 

Другий вид, званий технологіями «знизу вгору», передбачає отримання об'єктів з окремих атомів, наприклад проведення в розчині хімічних реакцій, що супроводжуються утворенням нерозчинних або важкорозчинних речовин (різні типи реакцій: гідроліз, окислення, відновлення, нейтралізацію); методи молекулярно-променевої епітаксії через трафарет, самосборка за рахунок поверхневої дифузії, збірка потрібної конфігурації з окремих атомів за допомогою скануючого тунельного мікроскопа. 

 

Можливі і проміжні варіанти, наприклад, технологія матеріалів і виробів на «пористому» кремнії, коли на підкладці монокристалічного кремнію методами травлення створюється наноструктура. 

Технології «зверху вниз». Це в основному фізичні методи отримання наноматеріалів: 

 Плазмове напилення: полум'яне, анодное, магнетронне і т.д.;

 Іонно-променева епітаксії;

 Газофазне компактування;

 Методи лазерного випаровування; 

 Контрольована кристалізація; 

 Диспергування і подрібнення; 

 Пластична деформація;

Наприклад, в установці плазмового осадження в зону плазми разом з інертним газом - носієм вводяться з'єднання металу. У зоні плазми контактують з органічним мономером і утворюють стабілізовані полімером наночастинки оксидів, нітридів, карбідів металу. 

При газофазного отриманні наноматеріалів частки металів з тигля - випарника направляються на фільтр, з якого вони віддаляються потоком газу. В результаті компактування - укрупнення наночастинок можливо серійне отримання нанопористих матеріалів. 

У разі використання лазерного випаровування для нанесення покриття на різні частинки використовуються лазери, що працюють в імпульсному або безперервному режимах. При цьому лазерний промінь високої інтенсивності падає на металевий стрижень, викликаючи випаровування атомів з поверхні металу, які несуться потоком гелію через сопла. Розширення цього потоку в вакуум призводить до його охолодження і утворення кластерів атомів (наночастинок) металу. 

Наноматеріали можна отримувати і модернізованим методом Вернейля, коли надлегкий порошок («пудра») оброблюваного матеріалу пропускається через факел з горючого газу (воднево-кисневе полум'я), або плазму безелектродного високочастотного або електродного розрядів. У полум'ї утворюються наночастинки оксидів металів, які у вигляді порошку (50нм) осідають на охолоджуючій підкладці. На базі такої технології вже отримані тверді покриття, різко збільшують зносостійкість ріжучих поверхонь, їх жаростійкість і корозійну стійкість. 

Технології «знизу вгору». До основних хімічних методів отримання наноматеріалів належать такі: 

 Хімічна конденсація парів 

 Рідкофазне відновлення 

 Радіоліз 

 Матричний синтез 

Хімічна конденсація парів. На початковому етапі вихідна речовина випаровують, застосовуючи відповідні методи нагрівання. Пари речовини розбавляють великим надлишком потоку інертного газу. Зазвичай використовують аргон або ксенон. Отриману парогазову суміш направляють на поверхню образу (положки), охолоджену до низьких температур. 

Формування наночастинок на поверхні підкладки є нерівноважним процесом і залежить від ряду факторів: температури підкладки, швидкості конденсації і т.д. отримання наночастинок методом соконденсаціі декількох речовин на охолоджуваної поверхні дозволяє легко вводити до їх складу різні добавки, а в процесі контрольованого нагрівання, збільшуючи рухливість наночастинок, здійснювати ряд нових і незвичайних синтезів. 

Рідкофазне відновлення. Хімічні відновлення залежить як від природи пари відновник-окислювач, так і від їх концентрації, pH середовища, температури, властивостей розчинника. Як відновники іонів металів найчастіше використовують - борогідриди (наприклад. NaBH4), алюмогідриди, солі щавлевої і винної кислот, формальдегід. 

Наночастки срібла (Ag) розміром менше 5нм отримані відновленням азотнокислого срібла (AgNO3) борогідридом натрію (NaBH4) при змішуванні відповідних розчинів в певному температурному режимі: 

Ag+ +  Ag

Перспективною різновидом вищенаведеного методу є електрохімічне відновлення. Електрохімічне відновлення металів дозволяє, змінюючи параметри електродних процесів, в широких межах варіювати властивості одержуваних нанокластерів. 

Наприклад, при катодному відновленні металів: 

 

На платинових катодах можуть утворюватися сферичні наночастинки металів, а на катодах з алюмінію формуються нанорозмірні плівки. 

Для контролю процесів формування та стабілізації наночастинок використовують молекули органічних речовин великих розмірів - макромолекули. Їх можна розглядати як нанореактори, що дозволяють синтезувати наночастинки необхідних розмірів і форми. Макромолекули - органічні молекули з високою молекулярною масою, об'ємною і розгалуженою структурою, наявністю активних кінцевих груп. Прикладом відновлення іонів металів у нанореакторах з макромолекулами є отримання наночастинок золота з водного розчину золотохлористоводневої кислоти HAuCl4: 

 .