Определение и терминология: нанотехнологии и наноматериалы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ТЕРМИНОЛОГИЯ:
НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.),геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками.

К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:
фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов, а также поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами;
создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

XXI век ознаменовался революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов.
Они уже используются во всех развитых
странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности
(промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине).

Анализ роста инвестиций,
количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств.

В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так промышленности и бизнеса постоянно увеличивается.
Это обусловлено следующими причинами:
стремлением к миниатюризации изделий,
уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии,
необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами,
развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации,
практическим внедрением современных приборов исследования,
диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия),
развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии,
технологий получения нанопорошков и т.п.,
приближением к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т.п.).

Направление наноструктурных исследований уже почти полностью сместилось от получения и изучения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии,
т. е. создания изделий, устройств и систем с наноразмерными элементами.
Основные области применения наноразмерных элементов — это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология.

ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ И
ТИПЫ СТРУКТУР
Существует несколько подходов к определению понятия «наноматериал» (рис.1).
Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствие с которым материалы с характерным размером структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм называют наноструктурными.

Рис.1. Терминологические подходы к понятию наноматериалов.

Нижняя граница диапазона обусловлена критическим размером существования нанокристаллического материала, как структурного элемента, имеющего упорядоченное строение, то есть кристаллическую решетку.
Такой критический размер, в частности, для железа составляет около 0,5 нм.
Верхняя граница диапазона обусловлена тем,
что заметные и интересные с технической точки зрения
изменения физико-механических свойств материалов
(прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.)
начинаются при размерах наноструктурных элементов существенно меньше 100 нм.

Второй подход связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов многочисленных поверхностей раздела.
При этом наибольшее изменение свойств происходит в случае, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет более 50%.
Третий подход основан на понятии характерного размера для определенного физического явления:
для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла,
для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла,
для электропроводности – длина свободного пробега электронов.

Считается, что если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной,
двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними; к нанотехнологиям.

Принятая на сегодняшний момент терминология использует следующие термины:
нанотехнология совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;
наноматериалы материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
наносистемная техника полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Основы классификации наноматериалов
В соответствии с приведенной на предыдущей странице терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 2).
Рис. 2. Классификация наноматериалов.

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм.
К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п.
Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм.
Обычно это проволоки, ленты, фольги.
Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров).
Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов)
и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.