Методы получения наноматериалов

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы нанотехнологии стали рассматриваться не только как одна из наиболее перспективных высокотехнологичных отраслей, но и как опора экономики 21 века, экономики, основанной на знаниях, а не на использовании и переработке природных ресурсов. Нанотехнологии не только будут стимулировать развитие новых моделей общей производственной деятельности, но и обеспечат новые способы повышения качества жизни и решения многих социальных проблем постиндустриального общества (если в традиционной технологии продукция производится путем вырезания лишнего материала из больших объектов, то теперь можно идти "снизу вверх", т.е. от отдельного атома до продукта). т.е. от отдельного атома до продукта). Многие эксперты в области научно-технической политики и инвестиций считают, что уже происходящая нанотехнологическая революция охватит все сферы деятельности человека (от освоения космоса до медицины, от национальной безопасности до экологии и сельского хозяйства) и что ее влияние будет шире и глубже, чем компьютерная революция второй половины 20 века. Его влияние будет шире и глубже, чем компьютерная революция конца 20-го века. Это создает вызовы и проблемы не только для научно-технического сектора, но и для менеджеров всех уровней, потенциальных инвесторов, сектора образования и государственного управления.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Нанотехнология родилась в результате революционных изменений в компьютерных технологиях. Электроника в целом зародилась около 1900 года и динамично развивалась в течение последнего столетия: изобретение транзистора в 1947 году стало ключевым событием в ее истории. За этим последовало начало эры полупроводниковых технологий и неуклонная миниатюризация кремниевых устройств. В то же время увеличилась скорость и емкость магнитных и оптических запоминающих устройств.Однако по мере приближения размеров полупроводниковых устройств к одному микрону начали проявляться странные физические явления, такие как квантово-механическая природа материи или эффект туннелирования. При нынешних темпах развития компьютерных возможностей можно предположить, что вся полупроводниковая технология столкнется с фундаментальными проблемами через пять-десять лет, когда компьютеры достигнут определенных "фундаментальных" пределов скорости и интеграции, определяемых законами физики. Поэтому дальнейшее развитие науки и техники потребует от исследователей серьезных "прорывов" в плане новых функциональных принципов и новых технологических подходов.Такие прорывы могут быть достигнуты только с помощью нанотехнологий. Нанотехнологии позволяют создать целый ряд принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств, таких как нанороботы.Расчеты показывают, что нанотехнологии могут повысить предельную производительность полупроводниковых компьютеров и устройств хранения данных на три порядка или в 1000 раз.Однако нанотехнологии не следует сводить к локальному революционному прорыву в электронике или компьютерных технологиях. Многие важные достижения уже сделаны, и ожидается значительный прогресс в других научных и технологических областях.Ряд объектов в физике, химии и биологии показали, что переход к наномасштабу приводит к качественным изменениям физико-химических свойств отдельных соединений и систем, на которых они основаны. Эти свойства включают оптическое сопротивление, электропроводность, магнетизм, прочность и теплостойкость. Кроме того, было установлено, что новые материалы на основе нанотехнологий превосходят свои микронные аналоги по физическим, механическим, тепловым и оптическим свойствам.Многие продукты, такие как новые типы солнечных батарей, преобразователи энергии и экологически чистые продукты, разрабатываются на основе материалов с новыми свойствами. Кроме того, были разработаны высокочувствительные биосенсоры и зародилась нанобиотехнология - новая наука, практического применения которой ждут с нетерпением. Нанотехнологии открывают новые возможности для микрофабрикации материалов и разработки новых производственных процессов и новых продуктов на их основе, что должно революционизировать экономическую и социальную жизнь будущих поколений.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Структура наноматериалов и обусловленные ею свойства формируются на этапе изготовления. Важность технологии для обеспечения стабильности и оптимальных свойств наноматериалов очевидна, как и ее экономическая эффективность.В соответствии со своим разнообразием, технология наноматериалов характеризуется сочетанием металлургических, физических, химических и биологических методов, с одной стороны, и традиционных и новых технологий - с другой. В то время как большинство методов получения затвердевших наноматериалов являются вполне традиционными, изготовление "квантовых рогов" с помощью сканирующей туннельной микроскопии, создание квантовых точек путем самоорганизации атомов и формирование пористых структур в полимерных материалах с помощью методов ионного трекинга основаны на принципиально иных технологиях и подходах.Молекулярно-биологические подходы также сильно отличаются. Все это затрудняет создание базовой картины технологии наноматериалов, и многие технические детали ("ноу-хау") обсуждаются авторами в общих чертах, причем большая часть информации носит рекламный характер. Ниже будут рассмотрены только самые важные и характерные методы.На сегодняшний день разработано множество методов и технологий для получения наноматериалов. Отчасти это связано с различным составом и свойствами наноматериалов, а отчасти с возможностью расширения этих материалов для создания новых и уникальных образцов. Образование наноструктур может происходить при фазовых превращениях, химических взаимодействиях, рекристаллизации, аморфизации, высоких механических нагрузках и биосинтезе. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Совершенствование существующих и разработка новых методов Совершенствуются наноматериалы и разрабатываются новые методы их получения. Чтобы иметь возможность производить наноматериалы, должны быть выполнены следующие условия- Метод должен быть способен производить материалы с контролируемойМетод должен быть таким, чтобы получать материалы с контролируемым составом и повторяющимися свойствами.- Метод должен обеспечивать временную стабильность наноматериалов, т.е. поверхность частиц должна быть защищена от естественного окисления и спекания.Метод должен обеспечивать временную стабильность наноматериалов. Это означает, что производственный процесс должен в первую очередь защищать поверхность частиц от естественного окисления и спекания.- Метод должен быть высокоэффективным и экономически выгодным.- Метод должен обеспечивать получение наноматериалов с постоянным размером частиц или распределением частиц по размерам, а размер частиц или распределение частиц по размерам должны оставаться достаточно малыми и, при необходимости, достаточно узкими для формирования наноматериалов. При необходимости распределение частиц или размеров должно быть достаточно узким.Следует отметить, что в настоящее время не существует единого метода, отвечающего всем вышеперечисленным требованиям. В зависимости от метода получения наноматериалов могут существенно различаться, например, средний размер и форма частиц, их гранулометрический состав, значение удельной поверхности и количество содержащихся примесей. Например, в зависимости от метода и условий производства нанопорошки могут иметь нанокристаллическую структуру, характеризующуюся как сферическая, хлопьевидная, иглообразная или губчатая, аморфная или микрокристаллическая, аморфная или кристаллическая, аморфная или микрокристаллическая.Механические методы производства Они предполагают использование высоких деформирующих нагрузок: трения, давления, вибрации, кавитационных процессов и т.д.Физические методы производства основаны на физических превращениях, таких как испарение, конденсация, сублимация, быстрое охлаждение или нагревание, плавление и разложение.Испарение, конденсация, сублимация, быстрое охлаждение или нагревание, распыление расплава и т.д. Что касается химических методов, его основные этапы диспергирования - электролиз. Восстановление и пиролиз. Биологические методы основаны на биохимических процессах в белковом теле.Методы механической деградации, применяемые к наноматериалам, часто называют механосинтезом. Часто упоминается как механосинтез. Механосинтез основан на механической обработке твердых тел.Основой механосинтеза является механическая обработка твердых тел. Процесс механического напыления является импульсным, т.е. генерация и последующее снятие поля напряжений происходит не в течение всего времени воздействия частиц на реактор, а только в течение короткого времени во время и после воздействия частиц.Генерация и последующая релаксация поля напряжений происходит не в течение всего времени удара частицы, а только в течение короткого времени во время и вскоре после удара частицы.Кроме того, механический эффект является локальным, поскольку он проявляется не во всем твердом теле, а в точках, где возникает и затем релаксируется поле напряжений. Пульсирующий и локальный характер этого эффекта приводит к концентрации небольшой области материала на короткое время. Высокая концентрация материала и напряжения происходит за короткое время. Это приводит к появлению дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций и трещин в материале.Полосы сдвига, деформации и трещины. Это приводит к измельчению материала, ускоренному массопереносу и перемешиванию компонентов и активации химических реакций твердых реактивов. В результате механического износа и механического плавления взаимная растворимость некоторых элементов в твердом состоянии может достигать более высоких значений, чем в равновесном состоянии.Измельчение осуществляется в шаровых, планетарных, вибрационных, вихревых, гирационных, струйных и абразивных мельницах. Шлифование в этих машинах осуществляется за счет удара и износа. Разновидностью механического фрезерования является механохимическое фрезерование. Смесь различных ингредиентов измельчается очень мелко, что облегчает взаимодействие между ними. Химические реакции также могут происходить на границе раздела фаз без необходимости измельчения. При таких температурах контакт не происходит без шлифовки. Такие реакции известны как механохимические реакции.В последние годы были разработаны методы получения наноматериалов путем механического взаимодействия с различными средами. Эти методы включают механику кавитации-жидкости, вибрацию, ударные волны, ультразвуковое фрезерование и синтез детонации.Кавитационно-гидродинамические методы были использованы для получения суспензий нанопорошков в различных диспергаторах. Кавитация - это латинское слово, означающее "полость", и представляет собой образование пустот (кавитационных пузырьков или полостей) в жидкости, заполненной газом, паром или их смесью. Эффект кавитации нагревает не только жидкость, но и твердое тело. Этот эффект может быть использован для измельчения твердых частиц.Ультразвуковое фрезерование также основано на фрезерном эффекте кавитационного воздействия. Колебательный метод получения наноматериалов основан на резонансной природе взаимодействий и явлений, что минимизирует затраты энергии в процессе и гарантирует высокую степень гомогенизации многофазной среды. Принцип работы заключается в том, что судно подвергается вибрации определенной частоты и амплитуды.Алмазные наночастицы могут быть получены методом детонационного синтеза. Этот метод использует энергию взрыва для достижения давления в несколько десятков тысяч атмосфер и температуры до нескольких тысяч градусов. Эти условия соответствуют термодинамически стабильной области алмазной фазы.Физические методы производства UD-материалов включают напыление, процессы испарения и конденсации, вакуумную сублимацию и твердофазное преобразование. Метод напыления расплавленного материала, распыляемого жидкостью или газом, заключается в нагнетании тонкой струи жидкого материала в камеру, которая разделяется на более мелкие капли потоком сжатого воздуха и на более мелкие капли потоком сжатого инертного газа или потоком жидкости. Газы, используемые в этом процессе, - аргон и азот, а жидкости - гидроспирт, ацетон и ацетальдегид.Образование наноструктур может быть достигнуто путем быстрого охлаждения из жидкого состояния или центрифугирования. В этом методе расплавленный металл быстро охлаждается (не менее 106 К/с) на поверхности вращающегося диска или барабана для получения тонкой полосы.Физические методыМетод испарения и конденсации позволяет получить порошок путем изменения фазы пар-твердое тело или пар-жидкость-твердое тело в газе или на охлажденной поверхности. Суть этого метода заключается в испарении исходного материала путем интенсивного нагревания и быстрого охлаждения. Нагрев испаряемого материала может осуществляться различными способами, такими как резистивный, лазерный, плазменный, дуговой, индукционный и ионный. Выпаривание может проводиться в вакууме или в среде инертного газа.Электрический взрыв проволоки осуществляется в аргоне или гелии при давлении от 0,1 до 60 МПа. В этом методе тонкая металлическая проволока диаметром от 0,1 до 1 мм помещается в камеру и подвергается импульсному воздействию высокого тока. Ширина импульса составляет от 10-5 до 10-7 секунд, а плотность тока - от 104 до 106 А/мм2. Это приводит к тому, что провод мгновенно нагревается и ломается. Образование частиц происходит во время свободного полета.Метод вакуумной сублимации, используемый для получения наноматериалов, состоит из трех основных этапов. На первом этапе готовится исходный раствор одного или нескольких веществ.На втором этапе раствор замораживают для установления равномерного пространственного распределения компонентов в жидкости, чтобы получить наименьший размер кристаллитов в твердой фазе.Третий этап - удаление кристаллов растворителя из замороженного раствора путем сублимации. Существует несколько методов получения наноматериалов, в которых диспергирование осуществляется в твердой фазе без изменения агломератного состояния. Одним из методов получения больших количеств наноматериалов является контролируемая кристаллизация из аморфного состояния. В этом методе путем охлаждения из жидкого состояния получают аморфный материал, который затем кристаллизуется при контролируемом нагреве.В настоящее время наиболее распространенным методом получения углеродных нанотрубок является термическое напыление графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза происходит в камере высокого давления, заполненной гелием. В процессе плазменного спекания анод подвергается интенсивному термическому испарению, а на катодной стороне образуется осадок, в котором формируются углеродные нанотрубки. Это позволяет получить большое количество нанотрубок длиной около 40 мкм. Они растут в плоскости, перпендикулярной поверхности катода, и соединяются вместе, образуя цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Этот пучок нанотрубок периодически покрывает поверхность катода, образуя сотоподобную структуру. Это можно обнаружить невооруженным глазом, посмотрев на отложения на катоде. Пространства между пучками нанотрубок заполнены смесью неупорядоченных наночастиц и отдельных нанотрубок. Углеродный осадок может содержать до 60% нанотрубок.Химические методы, используемые для получения наноразмерных материалов, можно разделить на несколько групп.Один из них связан с конкретным типом материала. Вторая группа включает в себя различные электрохимические реакции и их варианты.Методы осаждения предполагают использование осаждающего агента для осаждения солей различных соединений металлов из раствора. Продуктом осаждения является гидроксид металла. Контролируя pH и температуру раствора.В случае наноматериалов можно создать оптимальные условия осаждения, увеличить скорость кристаллизации и получить высокодисперсный гидроксид.Сильно диспергированный гидроксид. Затем продукты прокаливаются и, при необходимости, восстанавливаются. Полученные таким образом нанопорошки металлов имеют размер частиц от 10 до 150 нанометров. Размер частиц варьируется от 10 до 150 нанометров. Форма отдельных частиц обычно близка к сферической. Они имеют сферическую форму. Однако, изменяя параметры процесса осаждения, этот метод может быть использован для получения хлопьевидных порошков игольчатой формы. Изменяя параметры осаждения, можно получать порошки игольчатой, хлопьевидной и неправильной формы.Метод золь-гель был первоначально разработан для производства железных порошков. Он сочетает процесс химической очистки с процессом восстановления, в ходе которого нерастворимые соединения металлов осаждаются из водного раствора в виде гелеобразующих модификаторов (полисахаридов), которые затем восстанавливаются. В частности, порошок содержит от 98,5 до 99,5% железа. Помимо солей железа, в качестве сырья могут быть использованы отходы металлургического производства, такие как металлолом и травильные сточные воды. Благодаря использованию вторичного сырья, можно производить железо высокой чистоты и низкой себестоимости. Метод также может быть использован для получения других категорий наноматериалов, таких как оксидная керамика, металлические сплавы и соли.Восстановление оксидов и других твердых соединений металлов является одним из наиболее распространенных и экономичных методов. В качестве восстановителей используются газы - водород, монооксид углерода, переработанный природный газ, твердые восстановители - углерод (кокс, сажа), металлы (натрий, калий), гидриды металлов и др. В качестве сырья могут быть использованы оксиды, различные соединения металлов, руды и концентраты после соответствующей обработки (сгущение, удаление примесей и т.д.), отходы и побочные продукты металлургического производства. На размер и форму получаемого порошка влияют состав и свойства сырья, восстановитель, температура и время восстановления. Суть метода химического восстановления металлов из раствора заключается в восстановлении ионов металлов из водных растворов их солей с помощью различных восстановителей: Н2, СО, гидразина, гипофосфита, формальдегида и др.В методе газофазных химических реакций синтез наноматериалов осуществляется путем химических взаимодействий, происходящих в среде летучих паров.Нанопорошки также могут быть получены с помощью процессов пиролиза или пиролиза. Диссоциацию осуществляют соли низкомолекулярных органических кислот, такие как формиат, оксалат, ацетат металла, карбонат и карбонил металла. Диапазон температур, в котором происходит диссоциация, составляет от 200 до 400 °C.Электроосаждение - это метод осаждения металлических порошков из водных солевых растворов с помощью постоянного тока. Около 30 различных металлов получают методом электроосаждения. Они очищаются в процессе электролиза и поэтому имеют высокую чистоту.В зависимости от условий электролиза металл, осажденный на катоде, может быть в виде порошка, губки или дендрита, который можно механически измельчить. Такие порошки легко прессуются, что важно для производства изделий.Наноматериалы также могут производиться в биологических системах. Существуют доказательства того, что наноразмерные материалы используются в природе уже миллионы лет. Например, биологические системы (некоторые бактерии, простейшие и млекопитающие) часто производят наноразмерные частицы и минералы с тонкой структурой. Биологические наноматериалы оказались разными, поскольку их свойства развивались в течение длительного периода времени. В процесс биоминерализации вовлечены тонкие механизмы биологического контроля, что приводит к получению материалов с четко определенными свойствами. Это привело к высокому уровнюпроизводительность наноразмерных материалов по сравнению со многими синтетическими наноматериалами.Живые организмы могут быть использованы в качестве прямого источника наноматериалов, а их свойства могут быть изменены путем изменения условий биосинтеза или переработки после извлечения.Наноматериалы биологического происхождения могут быть исходным материалом для многих стандартных методов синтеза и обработки наноматериалов и используются во многих технологических процессах. Хотя исследований в этой области пока мало, уже есть много примеров, показывающих потенциал будущего прогресса в этой области.В настоящее время наноматериалы могут быть получены из ряда источников биологических образований, включая1) Ферритин и родственные железосодержащие белки.2) Термотропные бактерии3) Псевдотрубки из некоторых моллюсков4) Извлечение определенных металлов из природных соединений микроорганизмами.Ферритин - это группа белков, которые дают организмам возможность синтезировать частицы гидроксида и фосфата железа в наномасштабе. Наноразмерные продукты также могут производиться микроорганизмами. Микробные процессы можно разделить на три основные группы. Первая группа - это процессы, используемые в промышленности. К ним относятся бактериальное выщелачивание меди из сульфидов, бактериальное выщелачивание урана из руд и отделение мышьяковых загрязнений из оловянных и золотых концентратов. В некоторых странах микробиологическими методами добывается до 5% меди и значительное количество урана и цинка.В ряде стран до 5% меди и значительное количество урана и цинка сегодня добывается микробиологическими методами.Вторая группа микробных процессов - это те, которые хорошо изучены в лаборатории, но еще не нашли промышленного применения. К ним относятся процессы извлечения марганца, висмута, свинца и германия из необработанных карбонатных руд. Было показано, что микроорганизмы могут быть использованы для извлечения марганца, висмута, свинца и германия. Микроорганизмы могут находить мелкодисперсное золото в концентратах мышьяковых руд. Золото, металл, который нелегко окисляется, также может быть извлечено микроорганизмами. Металлы, образующие соединения в присутствии определенных бактерий, могут быть извлечены из руды. Третья группа включает теоретически возможные рудные месторождения.Третья группа включает теоретически возможные процессы, которые требуют дальнейшего исследования. Это процессы производства никеля, молибдена, титана и таллия. Считается, что при определенных условиях можно использовать никель, молибден, титан и таллий.Использование микроорганизмов для обработки низкосортных руд, хвостов, отходов концентратов и шлаков считается возможным при определенных условиях.
ВЫВОДЫ
Нанотехнология родилась в результате революционных изменений в компьютерных технологиях. Электроника в целом зародилась около 1900 года и динамично развивалась в течение последнего столетия: изобретение транзистора в 1947 году стало ключевым событием в ее истории. За этим последовало начало эры полупроводниковых технологий и неуклонная миниатюризация кремниевых устройств. В то же время увеличилась скорость и емкость магнитных и оптических запоминающих устройств.На сегодняшний день разработано множество методов и технологий для получения наноматериалов. Отчасти это связано с различным составом и свойствами наноматериалов, а отчасти с возможностью расширения этих материалов для создания новых и уникальных образцов. Образование наноструктур может происходить при фазовых превращениях, химических взаимодействиях, рекристаллизации, аморфизации, высоких механических нагрузках и биосинтезе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балоян Б.М , Колмаков А.Г, Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматериалы, Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения: Учебное пособие / Международный университет природы, общества и человека «Дубна».- М.: 2007.- 125 с.2. Андриевский Р. А. Наноструктурные материалы / Р.А. Андриев-ский, А.В. Рагуля – М.: Академия, 2005. – 117 с.3. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – М.: Физматлит, 2005. – 416 с.4. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех / М. Рыбалкина.  Москва : Nanotechnology News Network, 2005.  444 с.