Wytwarzanie, kształtowanie i właściwości nanomatertiałów

Nanomateriały

– wszelkie materiały, w których

występują regularne struktury na

poziomie molekularnym, tj. nie przekraczającej

100 nanometrów. Granica ta może dotyczyć

wielkości domen jako podstawowej

jednostki mikrostruktury, czy grubości warstw

wytworzonych lub nałożonych na podłożu. W praktyce

granica poniżej której mówi się o nanomateriałach jest

różna dla materiałów o różnych właściwościach

użytkowych i na ogół wiąże się to z pojawieniem

szczególnych właściwości po jej przekroczeniu.

Zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur

materiałów można uzyskać znacznie lepsze właściwości

fizyko-chemiczne, mechaniczne, itp.

Nanomateriały można podzielić na następujące

trzy grupy:

nanomateriały zerowo-wymiarowe

(nanomateriały

punktowe) zbudowane z osnowy, w której rozmieszczone

są cząstki o wymiarach nanometrów;

nanomateriały jedno- bądź dwuwymiarowe

, np. warstwy

o grubości nanometrów typu jednofazowego lub

wielofazowego;

nanomateriały trójwymiarowe

(lub nanokrystaliczne),

tj.

złożone z krystalicznych domen i klasterów faz o

wymiarach rzędu nanometrów.

Nanomateriały mają odmienne właściwości

fizyczne w porównaniu z materiałami tradycyjnymi.

Technologie stosowane do wytwarzania

nanomateriałów pozwalają otrzymać tworzywa o

składzie i właściwościach niemożliwych do uzyskania

metodami dotychczas znanymi.

Wiele struktur biologicznych (np. skóra), jest w

istocie rodzajem nanomateriałów

Fulereny

Fulereny (fullereny)

(ang.

fullerenes

)

– cząsteczki składające się z parzystej liczby

atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w

środku bryłę.

Właściwości chemiczne fulerenów są zbliżone pod

wieloma względami do węglowodorów

aromatycznych. Fuleryt kryształ molekularny

zbudowany z fulerenów, jest

odmianą alotropową węgla

Budowa fulerenów

Powierzchnia fulerenów składa się z układu

sprzężonych pierścieni składających się z pięciu i sześciu

atomów węgla. Najpopularniejszy fuleren, zawierający 60

atomów węgla (tzw. C

) ma kształt dwudziestościanu

ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa.

, natomiast, posiada dodatkowy pierścień atomów

węgla.

Właściwości fulerenów

Fulereny

są

czarnymi ciałami stałymi o

metalicznym połysku. Posiadają własności

nadprzewodzące i półprzewodnikowe. Ich własności

chemiczne są zbliżone do sprzężonych węglowodorów

aromatycznych, choć reakcje z ich udziałem wymagają

zwykle drastyczniejszych warunków. Ulegają, między

innymi, reakcji addycji. Ich unikalną własnością jest

możliwość zamykania w ich wnętrzu innych

cząsteczek. Gęstość wynosi 1,65g/cm³

Zastosowanie fulerenów

Zastosowanie fulerenów:

- przewodniki

- półprzewodniki

- nadprzewodniki

- smary

- włókna sztuczne

Metalofulereny (fulereny z uwięzionym w klatce

atomem metalu)

Mogą być izolatorami, półprzewodnikami,

przewodnikami o bardzo zróżnicowanej przewodności

zależnej od umieszczonego atomu lub

nadprzewodnikami

wysokotemperaturowymi. Stwarza to możliwość

tworzenia bardzo zróżnicowanych pod względem

przewodnictwa elementów elektronicznych.

Metanofulereny

Enzym czynny wirusa HIV ma kształt zbliżony do

otwartego na obu końcach cylindra o średnicy niewiele

większej niż średnica C60. C60 a właściwie jego

pochodne, metanofulereny, może wślizgnąć się do

środka cylindra i zablokować aktywność HIV (blokuje

aktywne centra enzymów wirusa HIV - peptydazy i

trankryptazy).

Otrzymywanie fulerenów

Fulereny występują w niewielkich ilościach

w sadzy węglowej oraz w przestrzeni kosmicznej w

otoczeniu wygasłych gwiazd, odkryto także obecność

pewnej ilości fulerenów w niektórych skałach.

Przykładem jest szungit w Rosji.

Fulereny otrzymuje się poprzez bombardowanie

promieniem laserowym obracającej się

tarczy grafitowej w supersonicznym strumieniu helu.

Obecnie najbardziej popularną i wydajną metodą

otrzymywania fulerenów jest metoda płomieniowa.

Nanorurki

- struktury nadcząsteczkowe, mające

postać pustych w środku walców. Współcześnie

najlepiej poznane są nanorurki węglowe, których

ścianki zbudowane są ze zwiniętego

grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Istnieją

jednak także nieorganiczne nanorurki (m.in utworzone

z siarczku wolframu)

oraz nanorurki utworzone z DNA

Nanorurki węglowe

Najcieńsze nanorurki węglowe mają średnicę

rzędu jednego nanometra, a ich długość może

być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą

wytrzymałość na rozrywanie i unikalne

własności elektryczne, oraz są znakomitymi

przewodnikami ciepła. Te własności sprawiają że są

badane jako obiecujące materiały do zastosowań

w nanotechnologii, elektronice, optyce i badaniach

materiałowych.

Typy nanorurek węglowych

Nanorurki jednowarstwowe

(SWNT) –

zbudowane z jednej warstwy atomów, zwiniętej w

rurkę o średnicy rzędu nanometra. W przeciwieństwie

do nanorurek wielowarstwowych wykazują bardzo

przydatne własności elektryczne, dzięki czemu są

rozważane jako główny kandydat do tworzenia

przyszłych układów elektronicznych. Można za ich

pomocą konstruować zarówno przewody o

minimalnym oporze jak i bramki logiczne. Obecnie ich

wytwarzanie jest jednak bardzo skomplikowane i

drogie, i przyszłość ich zastosowań zależy głównie od

opracowania efektywniejszych metod produkcji. Znane

są też metody uzyskiwania takich nanorurek o

długości rzędu centymetrów.

Nanorurki wielowarstwowe

(MWNT) -

zbudowane z wielu warstw atomów,

ułożonych w odstępach podobnie jak w

graficie. Ich własności zależą od liczby

warstw. Nanorurki dwuwarstwowe (DWNT)

są szczególnie interesujące ponieważ

zachowują przydatne własności

jednowarstwowych, a jednocześnie są od

nich znacznie odporniejsze chemicznie. Jest

to szczególnie istotne przy modyfikowaniu

własności nanorurek przez zrywanie

niektórych wiązań pomiędzy atomami

węgla – w przypadku DWNT modyfikowana

jest wtedy jedynie zewnętrzna warstwa.

Fuleryty

– materiały uzyskiwane przez

sprasowanie nanorurek w wysokiej temperaturze i

ciśnieniu. Część nanorurek łączy się wtedy ze sobą za

pomocą wiązań sp³. Uzyskany w ten sposób materiał

może przewyższać twardością diament, a

jednocześnie nie ma struktury krystalicznej i dzięki

temu nie jest kruchy.

Nanotorusy

- nanorurki zwinięte w kształt torusa.

Nanotorusy są badane ze względu na zaskakujące

własności magnetyczne (ma 1000 razy

większy moment magnetyczny na wybranym obszarze

niż się spodziewano).

Właściwości nanorurek

Mechaniczne

Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i

najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałość

na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga

63 GPa Dla porównania, hartowana stal osiąga

wytrzymałość rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką

gęstością rzędu 1,3-1,4 g/cm³, daje to najlepszy

rezultat spośród znanych ludzkości materiałów.

Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na

zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej struktury

łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił

ściskających lub zginających.

Kinetyczne

W nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrzne

warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz

zewnętrznych, tworząc idealne atomowe

łożyska

Własności te wykorzystano do konstrukcji

pierwszych prostych molekularnych

mechanizmów: nanorotorów i nanopotencjometrów

Termiczne

Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą

ciepło wzdłuż swojej struktury (dzięki przewodnictwu

balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą

ciepło w poprzek. Przewiduje się że nanorurki węglowe

mogą przewodzić do 6000 W/m*K w temperaturze

pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za

znakomity przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m*K.

Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800 stopni w

próżni i do około 750 stopni w

powietrzu

Elektryczne

W zależności od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo

w poprzek nanorurki, nanorurki mogą być dobrymi

przewodnikami lub półprzewodnikami. W teorii

nanorurki mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie

większym natężeniu niż przewody metalowe o

analogicznej masie. Dzięki zastosowaniu nanorurek

w 2001 udało się stworzyć tranzystor, który do zmiany

stanu (włączony/wyłączony) potrzebuje tylko jednego

elektronu. Naukowcy przewidują, że

zastosowanie nanotechnologii w elektronice

cyfrowej pozwoli na konstruowanie coraz szybszych i

coraz mniejszych komputerów i układów scalonych.

Document Outline