Нанотехнологияға кіріспе. Наноматериалдар және оларды алу технологиялары

Презентация қосу

Нанотехнологияға кіріспе

2 лекция
Наноматериалдар және оларды
алу технологиялары
Наноматериалдар және оларды алу технологиялар

Наноматериалдардың кластарға бөлінуі

Материалдың құрылысында, пішінде мен мөлшерінде
ерекшеліктері құрылым деп аталады.

Наноқұрылымды материалдар (наноматериалдар)
дегеніміз – бұл нанометрлік өлшемді құрылымына ие
материалдар.

Заттың макроөлшемдерінен наноөлшемдеріне ауысқанда
олардың қасиеттері секірмелі өзгереді.
Оның себептері:
1) беттіктің үлесін өсуі;
2) кванттық эффектілері әсерінен электрондық
құрымынының өзгеруі.
Беттікке жақын аймақта орналасқан атомдардың қасиетерінде
материал көлеміндегі атомдарынан өзгешілігі бар.

Сондықтан, материалдың беттігін заттың ерекше күйі ретінде
қарастыруға болады.

Неғұрлым беттікте орналасқан атомдарының саны көп болса,
соғұрлым беттікке байланысты эффектілер күштірек болады.

Объектілерінің өлшемдері төмендегенде, олардың кванттық
қасиеттері күшейеді
Наноматериалдар
нанобөлшектер,

фуллерендер,

нанотүтікшелер және наноталшықтар,

нанокеуекті құрылымдар,

нанодисперсиялар,

наноқұрылымдырылған беттіктер мен ұлпалар,

нанокристалдық материалдар.
2.1.1. Нанобөлшектер

Нанобөлшектер деп 100 нм-ден кем өлшемді бөлшектер
аталады.
Нанобөлшектер кемінде 106 атомнан құрылады және олардың
қасиеттері дәл сондай атомдардан құрылған көлемді
материалдарының қасиеттерінен ерекшеленеді.

Көміртегілік Жеке темір Темір кластерлерінің
нанотүтікшелері бар кластері шоғыры
темірдің кластері
Металдық кластерлер

Өлшемдері 10 нм-ден төмен нанобөлшектер нанокластерлер
деп аталады.

Нанокластер шамамен 1000 атомнан құрылады.
Макроскопиялық физикадағы орындалатын физикалық заңдар
нанобөлшектері үшін орынды болмайды.
Мысалы,
өткізгіштерді параллель және тізбектеп қосқанда қолданылатын
кедергілер формулалары орындалмайды;
тастағы нанокеуектердегі судың қату температурасы –20 ...–30 C
температураға дейн төмендейді;
алтын нанобөлшектерінің балқу температурасы массивті
үлгілерге қарағанда әлдеқайда төмен.
Бөлшектердің өлшемдері төмендегенде беттік
атомдарының үлесі арттады.

Нанобөлшектер үшін барлық атомдарды беттік деп
есептеуге болады, сондықтан олардың химиялық
белсенділігі өте жоғары. Сол себептен, металдардың
нанобөлшектері бірігеді.

Ал өсімдіктер, бактериялар мен микроскопиялық
саңырауқұлақтарда металдар атомдардың шағын
жиынтығынан құрылған кластерлер түрінде кездеседі.
i атомдардан құрылған сфералы кластерді қарастырайық.
Мұндай кластердің көлемі:
4 3
V R vi (1)
мұнда R – нанокластердің радиусы, v – бір бөлшектің
көлемі.
Бір бөлшекке келетін көлемді осылайша есептеуге болады:
4 3
v a (2)
мұнда a – бір бөлшектің орташа көлемі.
Сонда R ai 3
(3)

Нанокластерлердің көбісінде a 0,1 нм.

1000 бөлшектен тұратын кластердің өлшемдігі шамамен 1 нм
құрайды.
Нанокластерлердің беттік ауданы олардың маңызды
сипаттамаларына жатады: 2 2 2/3
S 4 R 4 a i (4)
iS беттіктегі атомдар саны беттік ауданымен мынадай
байланыста болады:
S siS 4 a 2 iS (5)
мұнда s – кластер беттігіндегі бір атом алатын аудан.

Беттіктегі атомдар санының көлемдегі атомдар санына
қатынасын анықтайық: iS Sv v a 1
(6)
i sV Rs R i1 / 3
(6) формулаға сәйкес, кластер өлшемі артқанда оның беттігіндегі
атомдарының үлесі азаяды.
100 нм-ден төмен өлшемді кластерлері үшін беттіктің ролі өседі.

Күміс иондары зиян келтіретін бактериялары мен микроорганизмдерді жояды.
Күміс нанобөлшектерінде химиялық белсенділігі жоғары болғандықтан, олар
косметикада, тіс пасталарында, дезинфекциялауға қолданылады.
Фуллерендер. Нанотүтікшелер мен наноталшықтар

Нанотүтікшелер мен фуллерендердің ашылуына байланысты
нанохимияда көміртектің атқаратын ролі өте жоғары болды.

Фуллерендер дегеніміз бұл саны 40-тан асатын атомдардан
құрылған сфераға ұқсас каркастық құрылымдарына ие
кластерлер.

Фуллереннің пішіні футбол добына
ұқсайды. Кластердің мұндай аталуы
Фуллерен сәулетшісіне байланысты.
Бұл ғалым ұқсас құрылымдарды
сәулет саласында қолдануын ойлап
тапқан.
1985 ж. Крото қызметкерлерімен бірге ашқан C60 фуллерені ең
тұрақты болады.
Қазіргі таңда ашылған фулерендердегі көміртек атомдардың
саны 36÷540 аралықта болады.

1991 ж. жапон ғалымы Сумио Ииджима нанотүтікшелер деп
аталатын ұзын көміртекті құрылымдарды ашқан.

Фуллерендер мен нанотүтікшелер –
ғажайып қасиеттерге ие және ғылым
мен техникада кеңінен қолданылатын
нанотехнологиялардың ең
зерттелінген объектілері.
Нанокеуекті заттар

Поралық (кеуекті) заттар (грек. porus – канал) табиғатта
кездеседі. Кеуекті материалдарда ішкі көлемі бос болады.

Кеуекті заттардың сандық сипаттамасы ретінде кеуектілігі:
V por
100%
V
мұнда V por – кеуектердің көлемі; V – материалдың көлемі.
Кейбір кеуектік материалдардың кеуектілігі 80-90%-ға дейн
барады.
Кеуектік материалдарда бос көлемі су, басқа сұйық немесе газбен
толтырылу мүмкін. Сондықтан кеуекті материалдарды сүзгі, сүзгіш,
сорбент ретінде қолданылады. Сорбенттер дегеніміз бұл әртүрлі химиялық
элементтерді жұтуға арналған заттар. Сорбенттің мысалы ретінде
активтелінген көмірді алуға болады.
Нанокеуекті заттар – бұл наноөлшемді кеуектері бар кеуекті
заттар.
Нанокеуектердің өлшемдері 1÷100 нм аралығында болады.
Микро-, мезо-, макрокеуектік заттарда кеуектердің өлшемдері
микрометрлік диапазонда жатады (2.1 кесте).

Кеуектердің өлшемдері азайғанда нанокеуектік материалдарда
әртүрлі химиялық элементтердің сүзу және жұту жаңа
қабілеттілігі пайда болады.
Кеуек түрі Кеуектің диаметрі
(d), мкм
Микрокеуектер d<2
Мезокеуектер 2 Макрокеуектер d>50

Электронды микроскопта алынған
пеноәйнек құрылымының кескіні
Кеуекті материалдарға жататын кеуекті кремний қызығушылық
тудырады. Таза кремний негізінде көрінетін сәулеленудің көзін
жасауға болмайды, ал кеуектік кремнийдің бұл мақсатымен
қолдануы мол.
Кеуекті кремний анодтық өңдеу (улау) әдісімен алынады. Бұл үшін
монокристалдық кремнийдің пластинаны фторсутегі қышқылдың
әлсіз ерітіндісі бар электрхимиялық қяшыққа орналастырады. Оң
зарядталған электродқа (анодқа) жалғап, әлсіз тұрақты токты
жібереді (2.4 сурет). Уақыт өткенде электр тогы мен фтор иондары
беттігін өңдейді. Кремний көлеміне енетін вертикаль кеуектер
пайда болады (2.5 сурет). Көршілес кеуектер бірнеше нанометр
өлшемді диаметрі бар кремний бағандарын қалыптастырып бір-
біріне қосылуы мүмкін. Ток күші мен фтор иондарының
концентрациясын өзгертіп, өңделу процесін бақылауға болады.

2.4 Кеуектік кремнийді анодтық
әдісімен алынуы 1 – корпус, 2 –
кремний пластинасы, 3 – катод, 4 –
изолятор, 5 – кеуекті қабат, 6 – анод

2.5 Кеуектік кремнийдің моделі
Нанодисперсиялар
Нанодисперсиялар дегеніміз бұл нанобөлшектер біртекті
ерітілген сұйық фазадан құрылған жүйелер. Қазіргі таңда
нанодисперсиялар негізінде косметика мен медицинада
қолданылады.

Табиғи қабатты серпинтинит минералынан ұнтатылып алынған 10 мкм-ден
аспайтын өлшемдері бар жұқадисперсиялық ұнтақ (әртүрлі масштабта)

Сұйық фазада ерітілген нанобөлшектерді дәрі тасымалдау үшін қолдануға
болады. Дәрі нанобөлшектің беттігіне «қыстырылады» немесе көлемінде
орналасады. Нанобөлшек дәріні ауырған мүшеге жеткізеді.
Нанодисперсиялар кеңінен косметикада қолданылады. Арнайы наноконтейнерге
орналастырылған косметикалық препараттар билогиялық клеткаларға оңай енеді.
Наноқұрылымдырылған беттіктер мен ұлпалар

Ең жұқа ұлпа қатты немесе сұйық беттікке түсірілген заттың бір атомдық
қабаттан құрылған. Мұндай ұлпалар Ленгмюр-Блоджетт ұлпалары деп
аталады.
Жартылай өткізгіш материалдардан құрастырылған ұлпалар немесе қабаттар
гетероқұрылымдар деп аталады.
Гетероқұрылым қалындығы бірнеше нанометр жартылайөткізгіш
қабаттарының ондықтар тізбегінен құрылуы мүмкін. Жартылайөткізгіш
гетероқұрылымдар жарық диодтарды, лазерлерді және басқа
жартылайөткізгіш аспаптарды жасауға қолданылады.
Гетероқұрылымның моделі

2000 ж. ресей ғалымы Ж.И.Алферов
гетероқұрылымдарды жасау
технологияларын жетілдіргені үшін
физикадан Нобель сыйлығының иегері
атанды. Гетероқұрылымдар молекулалы-
сәулелік, газды фазалық, сұйықтық
эпитаксия әдістерімен және өздігінен
құрастыру әдісімен жасалынады.
Нанокристалдық материалдар

Зат атомдар мен молекулалардан және олардың блоктарынан құрылады. Мұндай
блоктар ретінде нанокластерлер мен нанобөлшектер болып табылады.

Наноөлшемді блоктардан құрылатын кристалдық материалдар көлемдік
нанокристалдық материалдар деп аталады.
Нанокристалдық материалдарда бірқатар бірегей қасиеттері бар. Мысалы, бір
мезетте беріктік пен созылымдылық қасиеттерінің болуы. Нанокристалдық
материалдарда бірегей механикалық қасиеттерінің болуы зат құрайтын
нанобөлшектердің айрық шекарасы болуына байланысты. Айрықтың шекарасы
көлемдік заттан ерекшеленеді. Соңғы жылдары нанокристалдарды алу
Әртүрлі заттардың өрісілген технологиялары дамуда. Коллоидты химия
нанокристалдар әдістерін қолдана отырып, нанокристалды түрде
металдар, жартылай өткізгіштер мен магнитті
материалдарды алуға болады. Жартылай
өткізгіштерде кейбір сипаттамалар, мысалы
жарық сәулеленуінің қарқындылығы, бөлшектер
өлшемдеріне тәуелді. Нанокристалдарды
биологиялық белгілеуге қолдануға болады.
Нанокристалдарға нанометрлік диапазондағы
кристалдары бар қорытпаларды және
оңашаланған нанокристалдарды жатқызуға
болады.

Ұқсас жұмыстар

Нанотехнологияның дамуы өсуге әсер етедіөңдеу өндірісіндегі жұмыс орындарының саны

Нанотехнологияға кіріспе. Нанотехнологиялардағы кванттық эффектілер

Наноматериалдардың физикалық қасиеттері

Химияның басқа ғылымдармен байланысы

Өсімдіктерден экономикалық маңызы зор заттарды алу

Қашықтықтан оқыту технологиялары туралы түсінік

Қоймалық технологиялар

ТАҒАМ ТЕХНОЛОГИЯЛАРЫ ФАКУЛЬТЕТІ

Жылыжай құрылыстарын жаңғырту

Көз жаттығулары

Пәндер