На сегодняшний день термин «нанонаука» не имеет достаточно точного опре­деления. Это объясняется тем, что процесс становления нанонауки шел посте­пенно, в ходе развития и слияния целого ряда различных научных направле­ний, и до настоящего времени этот процесс еще далек от своего завершения. Нанонаука основывается на физике, химии и биологии, прежде всего, на тех разделах этих научных дисциплин, в которых изучаются объекты, состоящие из счетного числа атомов или молекул, т.е. такие объекты, в которых в зна­чительной степени проявляется сильная зависимость свойств от размеров, дискретная атомно-молекулярная структура вещества, квантовые закономер­ности его поведения.

Так как на практике наибольшее распространение находят твердотель­ные наноматериалы, то, соответственно, важнейшим научным базисом для их развития является теория твердого тела.

1.2. Разновидности наноматериалов

Наноматериалы имеют ряд структурных особенностей, которые обусловлены наличием параметров, которые могут относиться к структуре как в целом, так и к ее отдельным элементам. В свою очередь, структурные особенности наноматериалов находят свое отражение в необычном проявлении их свойств. Поскольку наноматериалы лежат в основе создания наносистем, то свойства наносистем в значительной степени зависят от свойств наноматериалов.

Существуют различные виды наноматериалов, каждый из которых характеризуется присущей ему спецификой структуры, и как следствие, свойств. Особенности наноматериалов и создаваемых на их основе наносистем проявляются, прежде всего, в размерных эффектах, среди которых особое место занимают квантовые эффекты.

Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурные материалы (рис. 1.1).

Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы опреде­ленным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

нанокластеры, среди которых различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении ато­мов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные на- нокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями;

• нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химиче­скими связями - подобно массивным кристаллам (макрокристаллам).

• фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), об­разующих структуру в виде сфероподобного каркаса;

• нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;

• супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологиче­ской природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);

• мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, об­разующих сфероподобную структуру;

• липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений - фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру.

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Нано- структурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наноча- стиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.

Консолидированные наноматериалы - это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное про­странственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредст­венно друг с другом.

К консолидированным наноматериалам относятся:

• нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, кото­рые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами;

• фуллериты, состоящие из фуллеренов;

• фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направле­ниях с полудлиной световой волны;

• слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различ­ных материалов наноразмерной толщины.

• матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы - мат­рицы, в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);

• нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор;

• наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины, разде­ляющие поры.

Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмер­ной дисперсной фазой.

К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпози- ты и нанопористые материалы, а также:

• нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наноча- стиц;

наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости;

наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распреде­ленных в объеме другой жидкости;

• наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно рас­пределенных в объеме газообразной среды.

Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомо­лекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологи­ческую природу.

Довольно часто образцы различных наноструктурных материалов явля­ются объемными (массивными), т.е. характеризуются микро- или макрораз­мерами, в то время как составляющие их структурные элементы являются наноразмерными.

В разных наноматериалах могут иметь место те или иные особенности проявления эффектов, связанных с малыми размерами составляющих их структур.

Так в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличи­вается удельная поверхность, т.е. доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной спо­собности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от атомов в объеме, которые связаны с окружающими их атомами. Изменение соотношения атомов на поверхности и в объеме также может привести к атомной реконструкции, в частности, к изменению порядка расположения атомов, межатомных расстояний, перио­дов кристаллической решётки. Размерная зависимость поверхностной энер­гии нанокристаллов предопределяет соответствующую зависимость темпера­туры плавления, которая для нанокристаллов становится меньше, чем для макрокристаллов. В целом в нанокристаллах наблюдается заметное измене­ние тепловых свойств, что связано с изменением характера тепловых колеба­ний атомов.

В ферромагнитных наночастицах при уменьшении размера ниже неко­торого критического значения становится энергетически невыгодным раз­биение на домены. В результате наночастицы превращаются из полидомен­ных в однодоменные, приобретая при этом особые магнитные свойства, вы­ражающиеся в суперпарамагнетизме.

Весьма необычными свойствами в силу специфики своей структуры ха­рактеризуются фуллерены и нанотрубки, а также молекулярные и биомоле­

кулярные комплексы, функционирование которых подчиняется соответст­венно законам молекулярной химии и биологии.

Особенности структуры и свойств индивидуальных наночастиц накла­дывают определенный отпечаток на структуру и свойства образуемых на их основе консолидированных наноматериалов и нанодисперсий. Типичным тому примером являются нанокристаллические материалы, которые характе­ризуются пониженной долей зерен и, соответственно, повышенной долей межзеренных границ в объеме материала. Одновременно в них происходит изменение структурных характеристик как зерен, так и межзеренных границ. В результате в нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут обладать сверхтвердостью или сверхпластичностью.

В практическом отношении особый интерес представляют электронные свойства наноструктур, обусловленные квантовыми эффектами.

Рис. 1.2. Классификация видов наносистемной техники по функциональному назначению

Наноматериалы служат основой для создания наносистем различного функционального назначения, которые подразделяются по принципу дейст­вия на электронные, оптические и механические - рис. 1.2. Действие элек­