Методы получения нанодисперсных порошков
Малый размер структурных составляющих создает возможность значительной модификации и даже принципиального качественного изменения свойств известных материалов. Этим вызван значительный
интерес в научных и технических сферах к изучению методов получения ультра- и наноразмерных материалов и их практическому применению.
Для дисперсных систем или монолитных тел, состоящих из наноразмерных элементов (обычно с размером до 100 нм), характерно, что число атомов в объеме элемента структуры близко к числу атомов, находящихся на его поверхности, при этом поверхностная энергия приближается к объемной энергии.
Поверхностные атомы оказывают определяющее влияние на физико-химические свойства материала. В отличие от макроразмерных частиц, для которых химическое взаимодействие контролируется,
как правило, диффузионным массопереносом, кинетика химического взаимодействия наночастиц имеет характер, близкий к молекулярным реакциям.
Поверхностные атомы вносят большой вклад в термодинамические характеристики и в значительной степени определяют структурные переходы и температуру плавления. Ультра- и наноразмерные
частицы характеризуются увеличенной способностью к адсорбции, ионному и атомному обмену, контактным взаимодействием структурных элементов и другими проявлениями.
Отдельные и разрозненные научные исследования, связанные с проблемой создания высокодисперсных систем, проводились уже более 100 лет назад. Создание коллоидных систем (аэрозолей, гелей, красящих пигментов и др.), содержащих в качестве составляющих
твердые частицы размером от 10 до 100 нм, – одно из самых ранних практических использований наноматериалов.
Первые систематические исследования коллоидных систем (золей) были выполнены в 60-е годы XIX века Т. Грэмом. Создание Дж. Рэлеем теории рассеяния света способствовало количественному
изучению оптических свойств коллоидных систем. Исследования Ж. Перреном, Т. Сведбергом и Р. Зигмонди броуновского движения коллоидных частиц на основе теории, разработанной
А. Эйнштейном и М. Смолуховским, позволило доказать реальность существования молекул и правильность молекулярно-кинетических представлений. Физическая теория устойчивости
коллоидных систем была разработана в 1937 году Б. В. Дерягиным совместно с Л. Д. Ландау и независимо от них Э. Фервеем и Я. Овербеком. В это же время в США и Германии стали получать субмикронные порошки с использованием электрической дуги, плазмы, газовой конденсации.
Идея построения малых объектов на наноуровне была высказана в 1959 году лауреатом Нобелевской премии по физике Р. Фейнманом в своем известном докладе «Как много места там, внизу». В частности
в нем указывалось, что «Многие проблемы химии и биологии были бы решены, если бы мы могли до предела развить наши способности видеть то, что мы делаем, и работать на атомном уровне.
Я думаю, что такое развитие неизбежно».
Впервые термин «нанотехнология» был применен японским ученым К. Танегучи в 1974 году. Этим понятием обычно обозначают способы и технологические процессы для создания и использования
наноразмерных или состоящих из наноразмерных элементов материалов.
Немецкий ученый Г. Глейтер в 1985 году впервые ввел понятие «наноструктурные материалы» и была предложена технология их получения, заключающаяся в изготовлении нанопорошков методом
«испарение–конденсация» и последующего их компактирования в различные изделия при высоких давлениях.
В середине XX века стали интенсивно развиваться исследования гетерогенного катализа, ультрадисперсных порошков и тонких пленок. Естественно в таких исследованиях возникал вопрос о влиянии малого размера на свойства изучаемых объектов. В настоящее время к наноструктурным материалам относят нанопорошки металлов, сплавов, органических соединений и другие; эти же вещества в компактном состоянии с элементами структуры нанометрового размера.
К ним также относят нанополимеры, углеродные наноструктуры, нанопористые материалы, нанокомпозиты, биологические наноматериалы.
Создание наноматериалов непосредственно связано с разработкой и применением нанотехнологий. Методы синтеза и изготовления ультра- и наноструктур непрерывно совершенствуются и развиваются
[1–10].
Приоритеты развития в данной области включают разработку методов химического синтеза наночастиц и получения на их основе материалов как в лабораторном масштабе, так и в масштабе опытного
и промышленного производства.
В области энергетики и химической промышленности широкое применение наноматериалов следует ожидать в процессах адсорбции и разделения веществ (в особенности газообразных), а также в новых
каталитических системах; приоритетными представляются следующие направления.
• Нанотехнологический метод получения высокоизбирательных катализаторов. В нефтехимической переработке, используя порошки катализаторов из наночастиц, можно добиться проведения каталитических процессов с максимальной избирательностью и высоким выходом.
• Новые сорбирующие материалы.
• Создание высокоемких, компактных и легких наноструктурных материалов для аккумулирования водорода и природных газов.
• Создание молекулярно-ситовых мембран с повышенной избирательностью и проницаемостью для процессов разделения газов.
• Создание новых методик комбинаторной химии с использованием наноразмерных реакторов и смесителей.
• Нанесение наноразмерных термозащитных коррозионностойких покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
• Получение упрочненных конструкционных материалов с использованием наноструктурных связующих.
• Получение высокопрочных полимерных волокон и труб с использованием нановолоконных наполнителей.
• Применение наноструктурных материалов в новых высокоэффективных устройствах преобразования энергии.
• Создание новых типов химических аккумуляторов с анодами и катодами из наноструктурных материалов.
• Повышение эффективности контроля и управления производственными
процессами путем применения датчиков с использованием
наноматериалов.
• Наноструктурированные материалы для самолетов, ракетных
и космических систем, энергонасыщенных материалов (ЭНМ)
и оборонной отрасли промышленности.
Для массового производства и широкого внедрения наноматериалов необходимо решить, по мнению авторов, две важные научно-технические проблемы:
– обеспечить строгое регулирование размера наноструктур при длительной работе в переменном окружении различных сред;
– обеспечить термическую и химическую регулируемую стабильность получаемых наноструктур.
Необходимо отметить, что для широкого внедрения нанотехнологий и развития рынка наноматериалов требуется значительно расширить наши представления о влиянии наноструктур на характеристики
материалов и возможности их изучения [11–15].
За последние годы почти во всех промышленно развитых странах были определены национальные приоритеты в области нанонауки и нанотехнологии; утверждены связанные с этим научно-технические
и образовательные программы. В августе 2007 года Правительство РФ приняло постановление о Федеральной целевой программе, связанной с развитием инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации.
Заказать книгу>>>