Нанотехнология. Получение нанокомпозитных материалов и наноструктур

Нанотехнология – технология, основанная на манипуляции отдельными атомами и молекулами для построения сложных структур различных веществ и создания миниатюрных технических устройств.

нанотехнологии

В развитии нанотехнологий имеется ряд нижеследующих направлений:

  1. разработка технологии молекулярного синтеза пространственных структур; систем доставки генов и лекарственных препаратов к канцерогенным клеткам, контрастных агентов для томографии и прицельного воздействия на органы человека; молекулярной технологии для нанооптики, индикаторов, цветовых экранов, динамических голографических устройств, датчиков излучения; молекулярной технологии и др.;
  2. создание многотеррабитных устройств памяти; нанотехнологических установок; микрореакторов; микро- и нанороботов; молекулярной технологии для высокоэффективных топливных элементов, преобразователей солнечной энергии и термопреобразователей;
  3. увеличение скорости работы компьютеров, эффективности транзисторов и емкости устройств памяти;
  4. удаление мельчайших загрязнений из воды и воздуха и создание чистой среды обитания человека.

Устройство нанотехнологии включает манипуляторы (сборщики), состоящие из миллиона атомов (около 150 нанометров), наборы устройств для их перемещения, источник энергии, нанокомпьютер, разборщик информации и созидатель или репликатор для размножения.

нанокомпозитные материалы

Способы получения нанокомпозитных материалов классифицируются по типу получения и стабилизации наночастей. Так, высокоэнергетические способы основаны на быстрой конденсации паров в условиях, исключающих агрегацию и рост наночастиц. Причем наночастицы имеют различную микроструктуру. Но нельзя получить анизотропные наночастицы.

Механохимическим способом можно получать наносистемы, используя помолы объемных веществ, в плазмотронах. Но при этом нельзя производить наночастицы малого размера, и продукт выходит неоднородным по размерам частиц.

Способы, основанные на формировании ультрадисперсных коллоидных частиц при поликонденсации в присутствии поверхностно-активных веществ, предотвращающих агрегацию (золь-гель метод, гидротермальный метод и др.), позволяют получать наноструктуры. Но они быстро подвергаются старению, деградируют их функциональные свойства.

наноструктуры

Химические способы получения, основанные на удалении одного из компонентов гетерогенной системы в результате химической реакции или анодного растворения, позволяют получить высокопористые и мелкодисперсные системы нанокомпозитов. Но у них широкое распределение частиц по размерам, неупорядоченное расположение. Сложно получить анизотропные наноструктуры.

Способы, основанные на использовании пространственно-ограниченных систем (синтез в нанореакторах) при наличии в нанореакторе полостей (пор) одинакового размера позволяют получать монодисперсные системы. Использование коллоидных нанореакторов дает возможность создавать однокомпонентные металлические и многокомпонентные оксидные наноструктуры, которые включают наночастицы различной формы и анизатропии, а также частицы с покрытиями.

К этой группе относят биомиметический и биологический подходы, где биомолекулы выступают в качестве нанореакторов. Данный подход удовлетворяет большинству требований, однако накладывает серьезные ограничения на выбор самой матрицы (нанореактора).

Для получения монодисперсных и пространственно упорядоченных наноструктур используют пористые материалы с упорядоченной структурой пор, такие как мезопористый оксид кремния, пористый оксид алюминия и цеолиты, имеющие одномерные каналы, дву- или трехмерные полости. В этом случае удается получить наночастицы нитевидной, пластинчатой или сферической формы с узким распределением частиц по размерам.

Особый интерес представляют твердотельные структуры с плотнейшей упаковкой цилиндрических пор, поскольку они обладают наибольшими параметрами анизотропии среди всех пористых материалов и могут рассматриваться как одномерные. Формируемые в них наночастицы характеризуются наибольшими параметрами анизотропии и ярко выраженными конфигурационно-чувствительными свойствами.

наночастицы

Наиболее эффективным способом является способ, основанный на синтезе нитевидных наночастиц металлов, сплавов металлов и металлсодержащих наночастиц в матрице мезопористого оксида кремния при введении неполярного комплекса металла в гидрофобную часть жидкокристаллических мицелл, образованных молекулами темплата (водный раствор алкил-триметиламоний бромида), с последующим разложением и кристаллизацией.

Этот способ является изобретением (Н.А. Григорьева и др., 2008), относимым к области низкоразмерной нанотехнологии и высокодисперсным материалам, в частности металлсодержащим материалам.

Он может быть использован для получения упорядоченного массива нитевидных наночастиц на основе мезапористых твердофазных матриц и создания магнитных сред хранения информации с высокой плотностью записи (CD-диски, жесткие диски компьютеров, носители информации с большим объемом памяти и др.).

Указанное изобретение может найти широкое применение в разных областях промышленности и техники для создания новых элементов магнитной памяти и магнитных носителей информации, где требуются высокий уровень плотности записи информации, а также возможность управления магнитными свойствами, формой и размерами пространственно упорядоченных наночастиц: наноэлектронике, компьютерном производстве, биомедицине, военной отрасли и др.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЕЕ: