НАНОМАТЕРІАЛИ

НАНОМАТЕРІАЛИ (НМ) — це практично будь-які об’єкти, речовини або їх композиції, розміри структурних елементів яких знаходяться в «нанодіапазоні» (від 1 до 100 нм) і призначені для виробництва, виготовлення виробів, корисних людині. Ці матеріали з незвичайною атомно-кристалічною решіткою та унікальними властивостями називають також ультрадисперсними матеріалами (УДМ), ультрадисперсними системами (УДС), або наноструктурованими матеріалами (НСМ). Уперше термін «НСМ» був уведений у 1981 р. одним із провідних розробників Н. професором Гербертом Гляйтером (Herbert Gleiter).

Способи отримання Н. можна розподілити на дві групи: «збірник з атомів» та «диспергування макроскопічних матеріалів». На сьогодні жодна класифікація не вичерпує всього різноманіття структури та властивостей наноструктурованих матеріалів, тому наводимо основні класифікації Н. Так, Герберт Гляйтер запропонував класифікацію Н. за складом, розподілом та формою структурних складових (рисунок).

За геометричними ознаками Н. можна розділити на нульмірні атомні кластери та частки, одно- і двомірні мультишари, покриття та ламінарні структури, тривимірні об’ємні нанокристалічні та нанофазні матеріали. До цієї групи належать також «нано-нано» композити, які містять більше ніж одну фазу, але всі фази разом менші за 100 нм. За складом Н. поділяють на неорганічні (кераміка, метали і сплави), органічні (у т.ч. полімерні й біологічні наноструктури), а також органо-неорганічні (у т.ч. метал-органічні та метал-полімерні). Наноструктурованими бувають однокомпонентні матеріали, що кристалізуються, напр. метали або жорстколанцюгові полімери. Подібні речовини, в яких кристалічні зерна поділені аморфними прошарками або дефектами решітки (дислокаціями), називають нанокристалічними. За фазовим станом вони поділяються на: однофазні (нанокристаліти, розділені міжкристальними кордонами, кристал із нанорозмірними дефектами (порами), острівкові плівки тощо); двофазні однокомпонентні системи (аморфно-кристалічні, мікродоменні сополімерні структури). Більшість Н. містять два або більше компонентів і мають назву «нанокомпозити» (лат. сompositio — складання). Зазвичай нанокомпозити складаються із суцільної твердої матриці (полімерної, металевої, вуглецевої, керамічної та ін.), наповненої твердими наночастками, склад, розміри і форма яких можуть бути різними. Нанокомпозити класифікуються за фазовою структурою на: двофазні бікомпонентні системи (напр. метал-оксид (Fе/Fе2О3) або напівпровідник-оксид (Si/SiO2)); багатофазні системи (напр. багатошарові нанотовщинні плівки, сплави, отримані холодним зварюванням). Крім того, виділяють такі групи Н. Н. біоміметичні, інакше біоміметики (англ. biomimetic nanomaterials, або biomimetics, bioin-spired materials) — штучні Н., що імітують властивості біоматеріалів або створені на основі принципів, реалізованих у живій природі. Н. біофункціоналізовані, інакше біонаноматеріал, нанобіоматеріал (англ. biofunctionalized nanomaterials) — нанорозмірний штучно синтезований матеріал, модифікований для додання йому біосумісності з живими середовищами, або наномодифікований матеріал біологічного походження. Н. вуглецеві (англ. carbon nanomaterials) — узагальнюючий термін, яким позначають різні низькорозмірні структури або наноструктуровані матеріали, основою яких є вуглець.

565678

Морфологія часток Н. — більш універсальна характеристика, яка поряд із дисперсністю містить такі характеристики, як розмірність, форма, ступінь анізотропності, загальна питома поверхня. Порівняно зі звичайними матеріалами Н. демонструють зовсім інші фундаментальні характеристики, такі як питома теплоємність, модуль пружності, коефіцієнт дифузії, магнітні властивості та ін. Це пояснюється тим, що в міру того, як розмір зерен або часток стає все меншим, все більша частка атомів з’являється на кордонах вільних поверхонь. Оскільки частка поверхневих атомів у Н. становить десятки відсотків, яскраво проявляються всі особливості поверхневих станів, а поділ властивостей на «об’ємні» та «поверхневі» певною мірою набуває умовного характеру. Розвинена поверхня впливає як на решіткову, так і на електронну підсистеми. З’являються аномалії поведінки електронів, квазічасток (фотонів, плазмонів, магнонів) та інших елементарних збуджень, які тягнуть за собою зміни фізичних властивостей Н., порівняно з масивними матеріалами.

Виняткові властивості Н. і можливості супермініатюризації пристроїв на їх основі зумовлюють перспективи широкого їх застосування у галузях цифрової електроніки, телекомунікаціях, технологіях перетворення та збереження енергії тощо, які швидко розвиваються.

Особливе значення Н. мають для медицини та фармації. Їх мізерний розмір дозволяє нанопристроям проникати в будь-які важкодоступні ділянки людського тіла. Це дає величезні можливості використання Н. при створенні нанопристроїв і наноліків, перспективних для: ранньої діагностики захворювань; цільової доставки ЛП; відновлення ушкоджених органів і тканин; лікування тяжковиліковних захворювань; дезінфекції, детоксикації тощо.

Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурированные. — М., 2005; Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М., 2007; Gao B., Arya G., Tao A.R. Self-orienting nanocubes for the assembly of plasmonic nanojunctions // Nat. Nanotechnol. — 2012. — Vol. 7, № 7; Lee J.O., Song Y.-H., Kim M.-W. et al. A sub-1-volt nanoelectromechanical switching device // Nat. Nanotechnol. — 2013. — Vol. 8, № 1; Shi X., Von dem Bussche A., Hurt R.H. et al. Cell entry of one-dimensional nanomaterials occurs by tip recognition and rotation // Nat. Nanotechnol. — 2011. — Vol. 6, № 11; Tang T.-T., Zhang Y., Park Ch.-H. et al. A tunable phonon-exciton Fano system in bilayer graphene // Nat. Nanotechnol. — 2010. — Vol. 5, № 1; Zeng J., Xia Y. Hybrid nanomaterials: Not just a pretty flower // Nat. Nanotechnol. — 2012. — Vol. 7, № 7; http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/nanomaterialy-iz-lavy.