Наноматериалы

Наноматериалы — это материалы, созданные с использованием структурных элементов, размеры которых хотя бы в одном измерении находятся в диапазоне от 1 до 100 нанометров (1 нм = 10⁻⁹ м). Класс наноматериалов объединяет вещества и композиции, свойства которых принципиально отличаются от свойств тех же веществ в форме макроскопических тел или крупных частиц. Эти отличия обусловлены проявлением квантово-размерных эффектов, высокой долей поверхностных атомов и увеличением удельной поверхности. Наноматериалы являются объектом изучения нанотехнологий и находят применение в электронике, медицине, энергетике, материаловедении и других отраслях.

История

Идея использования наноразмерных структур возникла задолго до появления соответствующей терминологии. Ещё в античности мастера применяли коллоидное золото и серебро для окрашивания стекла (например, Ликургов кубок IV века н. э., меняющий цвет в зависимости от освещения из-за наличия наночастиц золота и серебра). Однако систематическое изучение наноматериалов началось в XX веке.

В 1959 году физик Ричард Фейнман в лекции «Там внизу много места» впервые указал на возможность манипулирования отдельными атомами и молекулами. В 1974 году японский учёный Норио Танигути ввёл термин «нанотехнология». В 1981 году изобретение сканирующего туннельного микроскопа (Герд Бинниг, Генрих Рорер, Нобелевская премия 1986 года) позволило визуализировать и перемещать отдельные атомы. В 1985 году были открыты фуллерены (Роберт Кёрл, Харольд Крото, Ричард Смолли, Нобелевская премия 1996 года), а в 1991 году — углеродные нанотрубки (Сумио Иидзима). С 2000-х годов началось промышленное производство наноматериалов, включая нанопорошки, наноплёнки и нанокомпозиты.

Классификация

Наноматериалы классифицируют по нескольким признакам: размерности, химическому составу, происхождению и структуре.

По размерности

• Нульмерные (0D) — частицы, у которых все три размера находятся в нанодиапазоне (наночастицы, квантовые точки, фуллерены).
• Одномерные (1D) — материалы, у которых два размера — нанометровые, а третий — макроскопический (нанонити, нанотрубки, наностержни).
• Двумерные (2D) — материалы, у которых один размер — нанометровый, а два других — макроскопические (нано-плёнки, графен, слоистые структуры).
• Трёхмерные (3D) — объёмные материалы, состоящие из наноразмерных элементов (нанокомпозиты, нанопористые материалы, нанокерамика).

По химическому составу

• Углеродные — фуллерены, углеродные нанотрубки, графен, наноалмазы.
• Металлические — наночастицы золота, серебра, платины, железа.
• Оксидные — наночастицы диоксида титана (TiO₂), оксида цинка (ZnO), оксида алюминия (Al₂O₃).
• Полимерные — наночастицы из полимеров, дендримеры.
• Композитные — сочетание двух или более типов наноматериалов.

По происхождению

• Природные — образуются в результате вулканической деятельности, эрозии, биологических процессов (вирусы, белки, сажа).
• Искусственные — синтезируются целенаправленно (нанотрубки, квантовые точки).

Свойства

Свойства наноматериалов существенно отличаются от свойств макроскопических аналогов. Основные особенности:

• Высокая удельная поверхность — отношение площади поверхности к объёму резко возрастает, что усиливает каталитическую активность и адсорбционную способность.
• Квантово-размерные эффекты — при размерах частиц менее 10 нм изменяются электронные уровни энергии, что приводит к изменению оптических (цвет, люминесценция) и электрических свойств. Например, наночастицы золота могут быть красными или синими в зависимости от размера.
• Повышенная прочность — углеродные нанотрубки имеют прочность на разрыв в десятки раз выше стали при значительно меньшей плотности.
• Изменение температуры плавления — наночастицы плавятся при более низких температурах, чем макроскопические образцы (например, наночастицы золота плавятся при ~300 °C вместо 1064 °C).
• Суперпарамагнетизм — магнитные наночастицы (железо, кобальт) теряют постоянную намагниченность при размерах ниже критического и ведут себя как парамагнетики.
• Туннельный эффект — в наноразмерных структурах возможен квантовый туннельный перенос электронов, используемый в туннельных диодах и сенсорах.

Методы получения

Методы синтеза наноматериалов делятся на два основных подхода: «сверху вниз» (top-down) и «снизу вверх» (bottom-up).

Метод «сверху вниз»

Предполагает измельчение макроскопических материалов до наноразмеров. Включает механическое размол (шаровые мельницы, планетарные мельницы), литографию (электронно-лучевая, ионно-лучевая), лазерную абляцию и электроэрозию. Недостаток — возможное загрязнение и дефекты структуры.

Метод «снизу вверх»

Основан на сборке нанообъектов из отдельных атомов или молекул. Включает:

• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — разложение газообразных прекурсоров на нагретой подложке (используется для синтеза углеродных нанотрубок и графена).
• Золь-гель метод — получение наночастиц из растворов через стадии золя и геля.
• Гидротермальный и сольвотермальный синтез — кристаллизация в автоклавах при повышенных температуре и давлении.
• Электрохимическое осаждение — восстановление ионов металлов на электроде с образованием наноструктур.
• Молекулярное наслаивание — послойное нанесение атомных слоёв (ALD — atomic layer deposition).

Применение

Наноматериалы используются в широком спектре областей.

Электроника и оптоэлектроника

• Квантовые точки — применяются в дисплеях (QLED-телевизоры), солнечных батареях, биомаркировке.
• Углеродные нанотрубки — используются в транзисторах, гибких дисплеях, проводящих покрытиях.
• Графен — перспективен для сверхбыстрых транзисторов, сенсоров, прозрачных электродов.

Медицина

• Наночастицы для адресной доставки лекарств — капсулы из полимеров или липосом, высвобождающие препарат в целевых тканях.
• Магнитные наночастицы — для гипертермии (нагревание опухолей в переменном магнитном поле) и контрастирования в МРТ.
• Наночастицы серебра — обладают антибактериальными свойствами, используются в повязках, покрытиях медицинских инструментов.
• Квантовые точки — для визуализации биологических процессов in vivo.

Энергетика

• Нанопористые материалы — для водородных аккумуляторов (металл-органические каркасы, MOF).
• Нанокатализаторы — повышают эффективность топливных элементов и химических реакций (например, наночастицы платины в каталитических конвертерах).
• Фотоэлектрические преобразователи — наночастицы кремния и перовскитов для солнечных батарей с КПД более 25%.

Материаловедение

• Нанокомпозиты — добавление наночастиц (глины, углеродных нанотрубок) в полимеры, металлы или керамику для повышения прочности, термостойкости, электропроводности.
• Нанопокрытия — супергидрофобные (эффект лотоса), антикоррозионные, самоочищающиеся покрытия (на основе TiO₂).
• Наноалмазы — используются в полировальных пастах, смазочных материалах.

Экология

• Наномембраны — для фильтрации воды и воздуха (удаление бактерий, вирусов, тяжёлых металлов).
• Фотокатализаторы — наночастицы TiO₂ для разложения органических загрязнителей под действием УФ-света.

Безопасность и регулирование

Потенциальные риски наноматериалов связаны с их высокой химической активностью и способностью проникать через биологические барьеры (кожу, лёгкие, гематоэнцефалический барьер). Исследования показывают, что некоторые наночастицы (например, углеродные нанотрубки) могут вызывать воспалительные реакции и фиброз лёгких при вдыхании, сравнимые с действием асбеста. В связи с этим в ряде стран введены требования к маркировке продукции, содержащей наноматериалы, и ограничения на их использование в косметике и пищевых добавках. В Российской Федерации действуют санитарные правила и нормативы (СанПиН 2.1.7.2790-10), регламентирующие обращение с наноматериалами, а также ГОСТ Р 58039-2017 «Наноматериалы. Термины и определения».

Перспективы

Развитие наноматериалов связано с созданием устройств молекулярной электроники, нанороботов для медицины, сверхпрочных конструкционных материалов, эффективных катализаторов для «зелёной» химии и новых источников энергии. Ожидается внедрение наноматериалов в квантовые компьютеры, системы хранения данных и сенсоры с предельной чувствительностью. Однако широкое коммерческое применение сдерживается высокой стоимостью синтеза, сложностью масштабирования и нерешёнными вопросами экологической безопасности.

Источники

• Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. — М.: Техносфера, 2006.
• Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2005.
• Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. — М.: Бином, 2010.
• Сергеев Г. Б. Нанохимия. — М.: Изд-во МГУ, 2003.
• ГОСТ Р 58039-2017 Наноматериалы. Термины и определения.