Nanomateriallar strukturasini tadqiqot usullari 7 Nanomateriallar strukturasini tadqiqot usullari

NANOMATERIALLAR STRUKTURASINI TADQIQOT USULLARI
7 Nanomateriallar strukturasini tadqiqot usullari
So'nggi bir necha yil ichida nanotexnologiya nafaqat yuqori texnologiyalarning eng istiqbolli tarmoqlaridan biri, balki XXI asr iqtisodiyotining tayanchi sifatida ham ko'rilmoqda - tabiiy resurslardan foydalanishga emas, balki bilimga asoslangan iqtisodiyot. ularni qayta ishlash. Bundan tashqari, nanotexnologiya barcha ishlab chiqarish faoliyatining yangi paradigmasini ishlab chiqishni rag'batlantiradi ("pastdan yuqoriga" - alohida atomlardan - mahsulotga, an'anaviy texnologiyalar kabi "yuqoridan pastga" emas. kattaroq ish qismidan ortiqcha materialni kesib olish natijasida olingan) , uning o'zi hayot sifatini yaxshilash va postindustrial jamiyatda ko'plab ijtimoiy muammolarni hal qilish uchun yangi yondashuvlar manbai. Fan-texnika siyosati va investitsiya sohasidagi aksariyat ekspertlarning fikricha, boshlangan nanotexnologik inqilob inson faoliyatining barcha hayotiy sohalarini (kosmik tadqiqotlardan tortib tibbiyotgacha, milliy xavfsizlikdan tortib ekologiya va qishloq xo‘jaligigacha) qamrab oladi va uning oqibatlari qanday bo‘ladi? 20-asrning oxirgi uchdan bir qismidagi kompyuter inqilobidan ham kengroq va chuqurroq. Bularning barchasi nafaqat ilmiy-texnik sohada, balki turli darajadagi ma'murlar, potentsial investorlar, ta'lim, davlat organlari va boshqalar oldida ham vazifalar va savollarni qo'yadi.
Nanotexnologiya kompyuter texnologiyalaridagi inqilobiy o'zgarishlardan rivojlandi. Elektronika ajralmas yo'nalish sifatida 1900-yillarda paydo bo'ldi va o'tgan asr davomida jadal rivojlanishda davom etdi. Uning tarixidagi nihoyatda muhim voqea 1947 yilda tranzistorning ixtiro qilinishi bo'ldi. Shundan so'ng yarimo'tkazgichlar texnologiyasining gullab-yashnagan davri boshlandi, bu davrda yaratilayotgan kremniy qurilmalarining o'lchamlari doimiy ravishda kichrayib borardi. Shu bilan birga, magnit va optik xotira qurilmalarining tezligi va hajmi doimiy ravishda oshib bordi.
Biroq, yarimo'tkazgichli qurilmalarning o'lchamlari 1 mikronga yaqinlashganda, ularda moddalarning kvant-mexanik xossalari paydo bo'la boshlaydi, ya'ni. g'ayrioddiy jismoniy hodisalar (tunnel effekti kabi). Ishonch bilan taxmin qilish mumkinki, kompyuter quvvatining hozirgi rivojlanish sur'atlarini saqlab qolgan holda, barcha yarimo'tkazgichli texnologiyalar taxminan 5-10 yil ichida fundamental muammolarga duch keladi, chunki kompyuterlarga integratsiya tezligi va darajasi ma'lum bir "asosiy" chegaralarga etadi. Bizga ma'lum bo'lgan fizika qonunlari. Shunday qilib, fan va texnikaning keyingi taraqqiyoti tadqiqotchilardan ishning yangi tamoyillari va yangi texnologik usullarga sezilarli "yurish"ni talab qiladi.Bunday yutuqga faqat nanotexnologiyalarni qo'llash orqali erishish mumkin, bu esa tubdan yangi ishlab chiqarish jarayonlari, materiallar va qurilmalarning butun majmuasini, masalan, nanorobotlarni yaratishga imkon beradi.
Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, nanotexnologiyadan foydalanish yarimo'tkazgichli hisoblash va xotira qurilmalarining asosiy xususiyatlarini uchta kattalik darajasiga oshirishi mumkin, ya'ni. 1000 marta.
Biroq, nanotexnologiya elektronika va kompyuter texnologiyalaridagi mahalliy inqilobiy yutuq bilan cheklanib qolmasligi kerak. Ilm-fan va texnikaning boshqa sohalarini rivojlantirishda sezilarli yutuqlarga umid qilish imkonini beruvchi bir qator juda muhim natijalarga erishildi.
Fizika, kimyo va biologiyaning ko'plab ob'ektlarida nano o'lchovga o'tish alohida birikmalar va ular asosida olingan tizimlarning fizik-kimyoviy xususiyatlarida sifat o'zgarishlarining paydo bo'lishiga olib kelishi ko'rsatilgan. Biz optik qarshilik, elektr o'tkazuvchanlik, magnit xususiyatlar, kuch, issiqlikka chidamlilik koeffitsientlari haqida gapiramiz. Bundan tashqari, kuzatishlarga ko'ra, nanotexnologiya yordamida olingan yangi materiallar fizik, mexanik, issiqlik va optik xususiyatlari bo'yicha mikrometr shkalasidagi analoglardan sezilarli darajada ustundir.Yangi xususiyatlarga ega bo'lgan materiallar asosida quyosh batareyalarining yangi turlari, energiya konvertorlari, ekologik toza mahsulotlar va boshqa ko'p narsalar yaratilmoqda. Yuqori sezgir biologik sensorlar (datchiklar) va boshqa qurilmalar allaqachon yaratilgan bo'lib, ular yangi fan - nanobiotexnologiyaning paydo bo'lishi haqida gapirishga imkon beradi va amaliy qo'llash uchun katta istiqbolga ega. Nanotexnologiya materiallarni mikromexanik ishlov berish va shu asosda yangi ishlab chiqarish jarayonlari va yangi mahsulotlarni yaratish uchun yangi imkoniyatlarni taklif etadi, bu esa kelajak avlodlarning iqtisodiy va ijtimoiy hayotiga inqilobiy ta'sir ko'rsatishi kerak.
Nanomateryallarning tuzilishi va shunga mos ravishda xossalari ularni ishlab chiqarish bosqichida shakllanadi. Nanomateryallarning barqaror va optimal ishlashini ta'minlash uchun asos sifatida texnologiyaning ahamiyati juda aniq; bu ularning iqtisodiyoti nuqtai nazaridan ham muhim.
Nanomateryallar texnologiyasi, ikkinchisining xilma-xilligiga ko'ra, bir tomondan, metallurgiya, fizik, kimyoviy va biologik usullar, ikkinchi tomondan, an'anaviy va printsipial jihatdan yangi texnikalarning kombinatsiyasi bilan tavsiflanadi. Shunday qilib, agar konsolidatsiyalangan nanomateriallarni olish usullarining aksariyati an'anaviy bo'lsa, masalan, skanerlash tunnel mikroskopidan foydalangan holda "kvant korrallari" ni ishlab chiqarish, atomlarning o'zini o'zi yig'ish orqali kvant nuqtalarini shakllantirish yoki ion-track texnologiyasidan prinsipial ravishda turli texnologik usullarda polimer materiallarda g'ovak konstruksiyalarni yaratish uchun foydalanish.
Molekulyar biotexnologiyaning usullari ham juda xilma-xildir. Bularning barchasi mualliflar ko‘plab texnologik detallarni (nou-xau) faqat umumiy ma’noda ta’riflashini va ko‘pincha xabar reklama xarakteriga ega ekanligini hisobga olsak, nanomateriallar texnologiyasi asoslarini taqdim etishni murakkablashtiradi.
Bundan tashqari, faqat asosiy va eng tipik texnologik usullar tahlil qilinadi.
Kukun deganda kichik o'lchamdagi - bir necha nanometrdan minglab mikrongacha bo'lgan alohida qattiq moddalar (yoki ularning agregatlari) bilan aloqa qilish to'plami tushuniladi. Nanomateryallarni ishlab chiqarishga kelsak, ultradispers kukunlar xom ashyo sifatida ishlatiladi, ya'ni. hajmi 100 dan ortiq bo'lmagan zarralar, shuningdek intensiv silliqlash sharoitida olingan va yuqorida ko'rsatilganlarga o'xshash o'lchamdagi kichik kristalitlardan tashkil topgan kattaroq kukunlar.Kukun texnologiyasining keyingi operatsiyalari - presslash, sinterlash, issiq presslash va boshqalar - tegishli tuzilish va xususiyatlarga ega bo'lgan ko'rsatilgan shakl va o'lchamdagi namunani (mahsulotni) ta'minlash uchun mo'ljallangan. Ushbu operatsiyalarning kombinatsiyasi ko'pincha M.Yuning taklifiga binoan chaqiriladi. Balshin, konsolidatsiya. Nanomateryallarga nisbatan konsolidatsiya, bir tomondan, deyarli to'liq siqilishni ta'minlashi kerak (ya'ni, strukturada makro va mikroporlarning yo'qligi), boshqa tomondan, ultra nozik materialning dastlabki o'lchamlari bilan bog'liq nanostrukturani saqlab qolish. kukun (ya'ni, sinterlangan materiallardagi don hajmi imkon qadar kichik va har qanday holatda 100 nm dan kam bo'lishi kerak).
Nanomateryallarni ishlab chiqarish uchun kukunlarni olish usullari juda xilma-xildir; ularni shartli ravishda kimyoviy va fizikaga bo'lish mumkin, ularning asosiylari, eng xarakterli ultradispers kukunlari ko'rsatilgan, 1-jadvalda.
Qoldiq g'ovaklikni yo'qotish uchun presslangan namunalarni issiqlik bilan ishlov berish kerak - sinterlash. Biroq, nanomateriallarni ishlab chiqarishda qo'llanilganda, kukunli ob'ektlarni an'anaviy sinterlash usullari asl nanostrukturani saqlab qolishga imkon bermaydi.
Donning o'sishi (qayta kristallanish) va sinterlash(qisqarish) paytida siqilish jarayonlari diffuziya bilan boshqariladi, parallel ravishda, bir-birining ustiga chiqadi va yuqori siqilish tezligini qayta kristallanishning oldini olish bilan birlashtirish oson emas.
Shunday qilib, yuqori statik va dinamik bosim va o'rtacha haroratni qo'llashni o'z ichiga olgan yuqori energiyali konsolidatsiya usullarini qo'llash donning o'sishini ma'lum darajada kechiktirish imkonini beradi.
Nanostrukturali g'ovakli yarim tayyor mahsulotlarni olish uchun ultra nozik kukunlarni bosish va sinterlashning an'anaviy usullaridan foydalanish mumkin, ular keyinchalik to'liq mustahkamlash uchun bosim bilan ishlov beriladi. Shunday qilib, mis kukunlari 400 MPa bosimda presslash va vodorodgacha izotermik bo'lmagan sinterlashdan keyin qalinligi 3,5 nm bo'lgan oksidi (Cu 2 O 3) plyonkasi bilan ~ 35 nm zarracha hajmi bilan kondensatsiya usuli bilan olingan mis kukunlari. 230 ºS (isitish tezligi 0,5 ºS / min) don o'lchami 50 nm bo'lgan 90% nisbiy zichlikka ega bo'ldi. Keyinchalik gidrostatik ekstruziya yuqori mustahkamlik va plastisitivlikka ega bo'lgan g'ovak bo'lmagan makronamunalar ishlab chiqarishga olib keldi (siqilishdagi oquvchanlik 605 MPa, cho'zilish 18%).
Maxsus izotermik bo'lmagan isitish rejimlari yordamida oddiy sinterlash paytida donning o'sishini kechiktirish mumkin. Bunday holda, siqilish va donning o'sishi mexanizmlari o'rtasidagi raqobat tufayli siqilish jarayonlarini optimallashtirish, asosan qayta kristallanish hodisalarini bartaraf etish mumkin. Sinterlangan namunadan oqim o'tkazish yo'li bilan amalga oshiriladigan elektr tokini sinterlash va chang ob'ektlarini issiq bosim bilan ishlov berish (masalan, zarb yoki ekstruziya) ham qayta kristallanishni inhibe qilishi va nanomateriallarni olish uchun ishlatilishi mumkin. Mikroto'lqinli isitish ostida keramik nanomateriallarni sinterlash, namunalar kesimida bir xil harorat taqsimotiga olib keladi, shuningdek, nanostrukturaning saqlanishiga yordam beradi. Shu bilan birga, konsolidatsiyaning sanab o'tilgan variantlaridagi kristallitlar hajmi odatda nanostrukturaning don hajmining yuqori chegarasi darajasida, ya'ni. odatda 50-100 nm dan past emas.
Kuchli plastik deformatsiya
Massiv metall namunalarining nanostrukturasini shakllantirish qattiq deformatsiya usuli bilan amalga oshirilishi mumkin. Kvazi-gidrostatik yuqori bosimda burilish, teng kanalli burchakli presslash va boshqa usullarni qo'llash orqali erishilgan katta deformatsiyalar tufayli parchalangan va noto'g'ri yo'naltirilgan struktura hosil bo'ladi.qattiq plastik deformatsiyaning ikkita sxemasi ko'rsatilgan - yuqori bosimli buralish va teng kanalli burchakli presslash. Sxema holatida a disk shaklidagi namuna qolipga joylashtiriladi va aylanuvchi zımba bilan siqiladi. Fizikada va yuqori bosimli texnologiyada ushbu sxema Bridgman anvillarining taniqli g'oyalarini ishlab chiqadi. Yuqori bosimdagi kvazigidrostatik deformatsiya va siljish deformatsiyasi yuqori burchakli don chegaralari bilan muvozanatsiz nanostrukturalarning shakllanishiga olib keladi. Sxema holatida b, uning asosiy asoslari V.M.Segal (Minsk) tomonidan ishlab chiqilgan bo'lib, namuna oddiy kesish sxemasi bo'yicha deformatsiyalanadi va turli marshrutlar yordamida takroriy deformatsiya qilish imkoniyati mavjud. 1990-yillarning boshlarida. R.Z.Valiev va boshqalar. tuzilishi va xossalarining o‘ziga xos xususiyatlari bilan bog‘liq holda olish qonuniyatlarini batafsil o‘rganib, nanomateriallarni olishda ikkala sxemadan ham foydalangan.

1) to'g'ridan-to'g'ri eritmadan o'chirish jarayonida to'liq kristallanish va bir yoki ko'p fazali an'anaviy polikristal struktura va nanostrukturani shakllantirish;
2) eritmadan so'ndirish paytida kristallanish to'liq davom etmaydi va amorf-kristalli struktura hosil bo'ladi;
3) eritmadan o'chirish amorf holatning paydo bo'lishiga olib keladi, u faqat keyingi issiqlik bilan ishlov berish paytida nanostrukturaga aylanadi.
Masalan, suyuq eritmalarni gaz bilan purkash yo'li bilan olingan amorf kukunlarni qayta ishlash uchun issiq bosim bilan ishlov berish usullari qo'llaniladi, bu yapon tadqiqotchilari tomonidan yuqori quvvatli Al-Y-Ni-ning quyma ignalari misolida ko'rsatilgan. Ko qotishma.
2.2.4 Kino va qoplama texnologiyasi
Ushbu usullar nanomateriallarning tarkibi jihatidan juda ko'p qirrali bo'lib, ular 1-2 nm va undan ortiq bo'lgan don o'lchamlarining keng diapazonida amalda g'ovaksiz holatda tayyorlanishi mumkin. Yagona cheklov plyonkalar va qoplamalarning qalinligi - mikronning bir necha fraktsiyasidan yuzlab mikrongacha. Cho'ktirishning fizik usullari ham, kimyoviy usullar ham, elektrodepozitsiya va boshqa usullar qo'llaniladi. Sedimentatsiya usullarini fizik va kimyoviy usullarga bo'lish shartli, chunki, masalan, ko'plab fizik usullar kimyoviy reaktsiyalarni o'z ichiga oladi va kimyoviy usullar fizik ta'sirlar bilan rag'batlantiriladi.
2-jadvalda o'tga chidamli birikmalar (karbidlar, nitridlar, boridlar) asosida nanostrukturali plyonkalarni olishning asosiy usullari keltirilgan. Azot yoki uglerod o'z ichiga olgan atmosferada yoyli razryadning qo'zg'alishi ionlarni joylashtirish texnologiyasining eng keng tarqalgan variantlaridan biridir; metall katodlari metall ionlarining manbai sifatida ishlatiladi. Elektr yoyining bug'lanishi juda samarali, ammo u metall tomchi fazasining shakllanishi bilan birga keladi, uning chiqishi maxsus konstruktiv choralarni talab qiladi. Bu kamchilik ion-plazma cho'kmasining magnetron versiyasidan mahrum bo'lib, unda maqsad (katod) katod va anod o'rtasida hosil bo'lgan past bosimli gaz chiqarish plazmasining ionli bombardimoni tufayli püskürtülür. Transvers doimiy magnit maydon plazmani purkalgan maqsad yuzasida lokalizatsiya qiladi va püskürtme samaradorligini oshiradi.
Genetik muhandislar “yopishqoq” bir-birini to‘ldiruvchi uchlari bo‘lgan DNK iplarini kesish va tikish usullarini, shuningdek, “yopishqoq uchlari”dan nanosimlarni “osib qo‘yish” usullarini ishlab chiqdilar. DNKning shu tarzda to'planishi nanosimlarning birlashishiga olib kelishi mumkin. Bunday tuzilmalardagi DNK bo'limlari odatda qo'sh spiralning 2-3 burilishidan iborat (taxminan 7-10 nm). Bunday algoritmik yig‘ilish strukturasi va xossalarini bir, ikki yoki uch o‘lchovda dasturlash mumkin bo‘lgan yangi nanomateriallarni yaratishda juda istiqbolli yo‘nalish bo‘lib ko‘rinadi. DNK nanotexnologiyasining qonuniyatlari juda jadal o'rganilmoqda, chunki "molekulalararo tanib olish"ning yuqori darajasi turli xil tuzilmalarni o'z-o'zini yig'ish orqali yaratishga umid qilish imkonini beradi, ularning funktsional xususiyatlarini oldindan aytish mumkin.
Supramolekulyar sintez molekulalararo kovalent kuchlar tomonidan boshqariladigan molekulyar komponentlarni yig'ishni o'z ichiga oladi. Supramolekulyar o'z-o'zini yig'ish - bu bir nechta komponentlarning (retseptorlar va substratlarning) o'z-o'zidan birikmasi bo'lib, natijada "molekulyar tanib olish" deb ataladigan narsaga asoslangan yangi tuzilmalar (masalan, izolyatsiya qilingan oligomerik supermolekulalar yoki yirik polimer agregatlari) o'z-o'zidan paydo bo'ladi. Organik birikmalar, masalan, halqa molekulasi tiqinlar bilan o'qga o'rnatiladigan rotaksanlar va halqa molekulalari bir-biriga bog'langan katenanlar donor-akseptor sheriklarining o'z-o'zidan bog'lanishi asosida, shuningdek, bog'liq holda olingan. vodorod aloqalarining yordamchi shakllanishiga ...
Organometall qurilish bloklari asosida turli xil noorganik arxitekturalarni o'z-o'zidan yig'ish yo'li bilan ham olish mumkin (masalan, surma va tellur zanjirlari, metallarning turli ramkalari, qotishmalar va birikmalar va boshqalar). Supramolekulyar muhandislik ob'ektlari tobora xilma-xil bo'lib bormoqda.
2.3.2 Nano gözenekli materiallar (molekulyar elaklar)
Bular gaz aralashmalarini diffuziya bilan ajratish va funktsional nanozarrachalarni (kataliz substratlari, emitentlar, datchiklar) joylashtirish va barqarorlashtirish uchun mo'ljallangan, zeolit ​​va zeolitga o'xshash, shuningdek, fazoviy muntazam kanallar va bo'shliqlar tizimiga ega uglerod va polimer nanostrukturalaridir. va boshqalar). Nanog'ovak materiallarni olishning texnologik usullari juda xilma-xildir: gidrotermik sintez, sol-gel jarayonlari, elektrokimyoviy usullar, karbidli materiallarni xlor bilan tozalash va boshqalar. Standart litografiya usullarining kombinatsiyasi bilan turli xil chuqurchalar tuzilmalari yaratilgan (kelajakdagi panjara naqshini chizish). , gidroksidi bilan qirqish, anodik eritma, oksidlanish.qayta tiklash va boshqalar.
Polimerlar, dielektriklar va yuqori energiyali ionlar bilan yarim o'tkazgichlarni qayta ishlashda nanometr o'lchamdagi ion izlari hosil bo'ladi, ulardan nanofiltrlar, nano-shablonlar va boshqalarni yaratish mumkin. ...
Tseolit ​​tipidagi nanokompozit molekulyar elaklarga kelsak, bunday matritsa tuzilmalarini olishning kamida ikkita usuli ajralib turadi: kelajakda kompozitsiyaning nanozarralari mavjud bo'lgan jeldan gözenekli materialning kristallanishi va nanozarrachalarning sintezi. i n siti ilgari zeolitlarga kiritilgan prekursorlardan.
2.3.3 Quvurli materiallar
Grafitning bug'lanishi paytida hosil bo'lgan cho'kindilarni yoy oqimi sharoitida o'rganishda grafitning (grafenlarning) atom tarmoqlari chiziqlari choksiz naychalarga aylanishi mumkinligi aniqlandi. Quvurlarning ichki diametri nanometrning fraktsiyalaridan bir necha nanometrgacha, uzunligi esa 5-50 mikron oralig'ida.