Что такое наноструктурированные материалы
Что такое наноструктурированные материалы
Основными типами наноструктурированных материалов по размерности структурных элементов, из которых они состоят, являются нульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D) и трехмерные (3D) наноматериалы. К нульмерным наноматериалам относятся нанокластерные материалы и нанодисперсии, т. е. материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. Одномерные наноматериалы — нановолоконные (нанопрутковые) и нанотубулярные материалы с длиной волокон (прутков, трубок) от 100 нм до десятков микрометров. К двумерным наноматериалам относятся пленки (покрытия) нанометровой толщины. Структурные элементы в 0D, 1D и 2D наноматериалах могут быть распределены в жидкой или твердой макроскопической матрице или находиться на подложке. К трехмерным наноматериалам относят порошки, волоконные, многослойные и поликристаллические материалы, в которых 0D, 1D и 2D структурные элементы плотно прилегают друг к другу, образуя между собой поверхности раздела — интерфейсы. Важным типом трехмерного наноструктурированного материала является компактный или консолидированный (bulk) поликристалл с зернами нанометрового размера, весь объем которого заполнен нанозернами, свободная поверхность зерен практически отсутствует, и имеются только границы раздела зерен — интерфейсы. Образование интерфейсов и «исчезновение» поверхности наночастиц (нанозерен) — принципиальное отличие трехмерных компактных наноматериалов от нанокристаллических порошков разной степени агломерации, состоящих из частиц такого же размера, как и компактный наноструктурированный материал.
Иллюстрации
Типы нанокристаллических материалов по размерности структурных элементов: 0D (нульмерные) кластеры; 1D (одномерные) нанотрубки, волокна и прутки; 2D (двумерные) пленки и слои; 3D (трехмерные) поликристаллы.
Классификация наноматериалов.
Наноструктурныематериалы (наноматериалы) – кристаллические материалы со средним размером зерен или других структурных единиц менее 100 нм и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Они состоят из наночастиц, которые представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.
1.Фуллерены— молекулярные соединения, представляющие аллотропическую форму углерода (аллотропия – существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур). Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно 1 нм и напоминает футбольный мяч. Атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников.
2.Нанотрубки углеродные — цилиндрические молекулы с гигантским числом атомов углерода.
Они представляют собой графитовые сетки, свёрнутые в трубки, и могут быть открытыми и закрытыми, одностенными, двустенными и многостенными. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников, являющихся ячейками в плоском графитовом листе. На концах закрытых нанотрубок помимо шестиугольных ячеек, характерных для структуры графита, присутствуют пятиугольные ячейки.
Углеродные нанотрубки, фото которых представлены ниже, имеют необычную структуру. Они бывают разных форм и размеров: однослойные, двухслойные и многослойные, прямые и извилистые. Несмотря на то, что нанотрубки выглядят довольно хрупкими, они являются прочным и хорошо работают на растяжение и изгиб.
Многослойная нанотрубка это несколько однослойных нанотубуленов, «одетых» одна на одну по принципу русской матрёшки
Методы получения нанотрубок. На сегодняшний день существуют следующие методы получения углеродных нанотрубок:
распыления, аблясация и осаждение из газовой фазы.
Распыление в дуговом разряде – получение в плазме электрического разряда, который происходит с применением гелия.
Аблясация –получение углеродных нанотрубок в результате испарения графита на нижней части реактора. Охлаждение и сбор их происходит при помощи охлаждающей поверхности.
Углеродные нанотрубки применяются:
в качестве добавок к полимерам; катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и трубок в телекоммуникационных сетях; в качестве поглотителя электромагнитных волн; для преобразования энергии; изготовления анодов в различных видах батареек; хранения водорода; изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств.
Функционализация углеродных нанотрубок сводится к наделению полимеров проводящими свойствами. Коэффициент теплопроводности нанотрубок достаточно высок, поэтому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного массивного оборудования.
Важнейшей отраслью применения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи.
3.Фуллери́ты— кристаллы, образованные молекулами фуллерена, имеющие гранецентрированную кубическую решётку со слабыми межмолекулярными связями.
Фуллерит является аллотропной модификацией углерода(C).
Крупнокристаллический порошок фуллерита C60 в растровом электронном микроскопе
Применение фуллерита:
1.как исходный материал для получения алмаза
Он тверже алмаза, прочнее стали, замечательно упруг, горит только при очень высокой температуре. Его открыли двадцать лет назад, но получали до сих пор с большими трудностями. И вот недавно случился настоящий прорыв. Ученые из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке, МФТИ и МИСиС первыми в мире нашли способ с легкостью синтезировать фуллерит в любых количествах.
Конструкционные наноматериалы могут быть представлены наноструктурированными композитами.
Наноструктурированные композиты– материалы, в которых наноразмерные частицы наполнителя в небольшом количестве вводят в расплав материала матрицы (металл или полимер).
При этом наблюдается значительное увеличение механической прочности и достижение высоких функциональных свойств.
Эффект наноструктурирования чаще возникает при использовании наночастиц, имеющих протяженную и сложную по геометрии форму (нанотрубки, нановолокна, нанозвездочки и др.), а следовательно – более развитую поверхность. Содержание наноразмерного наполнителя в наноструктурированных материалах обычно составляет не более 5 масс.%.
Характер влияния наночастиц на свойства композиционных наноматериалов и направления их использования в значительной степени зависит от типа матрицы, в которой диспергируются наночастицы.
Классификация нанокомпозитных материалов:
– полимер-матричные нанокомпозиты;
– металл-матричные нанокомпозиты;
– стекло-матричные нанокомпозиты;
– керамические нанокомпозиты.
В настоящее время наиболее широко используются следующие виды наноразмерных наполнителей композитных наноматериалов :
1. Углеродные нанотрубки и нановолокна, включая простые, двойные и многостеночные нанотрубки; простые и графитизированные нановолокна.,
На рынке представлены различные виды относительно длинных (5-30 мкм), обычно – взаимопереплетенных, нанотрубок и нановолокон (диаметром 1-20 нм), а также короткие легко диспергируемые в различных средах нанотрубки и нановолокна длиной 0,5-2 мкм и диаметром 20-50 нм.
2.Металлические, оксидные и гидроксидные нанотрубки.
3.Короткие нановолокна и наностержни
В том числе металлические (Ag, Bi, In, Si), полупроводниковые (GaP, InP), нитридные (Si3N4) и оксидные (TiO2).
Что такое наноструктурированные материалы
ГОСТ ISO/TS 80004-4-2016
Материалы наноструктурированные. Термины и определения
Nanotechnologies. Part 4. Nanostructured materials. Terms and definitions
Дата введения 2017-07-01
Предисловие
Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении» (ВНИИНМАШ) на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5
2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 441 «Нанотехнологии»
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 31 августа 2016 г. N 90-П )
За принятие проголосовали:
Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97
Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Минэкономики Республики Армения
Госстандарт Республики Беларусь
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 ноября 2016 г. N 1646-ст межгосударственный стандарт ГОСТ ISO/TS 80004-4-2016 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2017 г.
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного документа для приведения в соответствие с ГОСТ 1.5 (пункт 3.6).
Международный документ разработан техническим комитетом по стандартизации ISO/TS 229 «Нанотехнологии» Международной организации по стандартизации (ISO).
Стандарт подготовлен на основе применения ГОСТ Р 56085-2014/ISO/TS 80004-4:2011
7 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Январь 2019 г.
Введение
Необходимость разработки настоящего стандарта вызвана интенсивным развитием научных знаний в области нанотехнологий и появлением новых терминов, относящихся к наноструктурированным материалам.
Наноструктурированные материалы имеют внутреннюю или поверхностную наноструктуру. Нанообъекты (материальные объекты, линейные размеры которых по одному, двум или трем измерениям находятся в нанодиапазоне) могут быть наноструктурированными.
Материал не следует относить к наноструктурированным материалам, основываясь лишь на его кристаллическом строении (наличии трехмерного расположения атомов или молекул, формирующих кристаллическую решетку; ближнего атомного порядка в аморфной или квазиаморфной фазах; границ зерен; границ фрагментов внутри зерен, дислокаций и др.). Материал относят к наноструктурированным материалам в том случае, если при определении его гранулометрического состава выявлено существенное преобладание зерен (нанокристаллов), пустот или пор с размерами в нанодиапазоне, а также, если материал получен в процессе осаждения нанообъектов в твердую матрицу (см. ISO/TS 80004-1:2010, статья 2.4). Кроме того, почти все материалы имеют поверхности с морфологической и химической неоднородностью в нанодиапазоне. Однако только те материалы, у которых поверхности преднамеренно модифицированы или текстурированы с целью получения морфологической или химической неоднородности в нанодиапазоне, следует относить к наноструктурированным.
Вещества, которые содержат нанообъекты или наноструктурированные материалы, не обязательно сами являются наноструктурированными материалами.
В настоящем стандарте установлены термины и определения пяти видов наноструктурированных материалов (рисунок 1):
1) наноструктурированный порошок;
2) нанокомпозиционный материал;
3) твердая нанопена;
4) нанопористый материал;
5) текучая нанодисперсная система.
В настоящем стандарте установлены термины и определения подвидов некоторых видов наноструктурированных материалов.
Термины и определения, установленные в настоящем стандарте, могут не охватывать все существующие на сегодняшний день виды и подвиды наноструктурированных материалов. Термины и определения на дополнительные виды и подвиды наноструктурированных материалов будут включены в стандарт при его последующем пересмотре.
Нанообъекты (или их агрегаты или агломераты) в нанопорошках и в жидких нанодисперсных системах расположены не случайным образом, а образуют ближний порядок (структуру). Во многих случаях взаимодействие молекул жидкости (особенно полярных жидкостей) и нанообъектов (или их агрегатов или агломератов) происходит на их поверхности в тонком приграничном слое. Таким образом, в жидкости образуется «наноструктура» и однородность свойств жидкости изменяется. Это может быть выявлено с помощью физико-химических измерений.
Если жидкая среда является только фоном, и особые взаимосвязи между содержащимися в ней нанообъектами отсутствуют, то такие наносуспензии, представляющие собой скопление множества нанообъектов, не являются наноструктурированными материалами. Поэтому термин «наносуспензия» обозначает промежуточную зону между понятиями «наноструктурированный материал» и «материал, состоящий из нанообъектов». Термин «наносуспензия» включен в настоящий стандарт, так как область применения таких материалов достаточно обширна, а единая терминология для их описания отсутствует.
Установленные в настоящем стандарте термины расположены в систематизированном порядке, отражающем систему понятий в области нанотехнологий, относящихся к наноструктурированным материалам.
Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин.
Термины-синонимы приведены в качестве справочных данных и не являются стандартизованными.
Приведенные определения можно при необходимости изменять, вводя в них произвольные признаки, раскрывая значения используемых в них терминов, указывая объекты, относящиеся к определенному понятию. Изменения не должны нарушать объем и содержание понятий, определенных в настоящем стандарте.
В стандарте приведены иноязычные эквиваленты стандартизованных терминов на английском языке.
В стандарте приведен алфавитный указатель терминов на русском языке, а также алфавитный указатель эквивалентов терминов на английском языке.
1 Область применения
Настоящий стандарт является частью серии стандартов ISO/TS 80004 и устанавливает термины и определения понятий в области нанотехнологий, относящихся к наноструктурированным материалам.
Настоящий стандарт не распространяется на материалы, имеющие топографические или композиционные свойства в нанодиапазоне, так как этого недостаточно для отнесения материала к наноструктурированным.
Настоящий стандарт предназначен для обеспечения взаимопонимания между организациями и отдельными специалистами, осуществляющими свою деятельность в области нанотехнологий.
2 Основные термины и определения
нанодиапазон: Диапазон линейных размеров приблизительно от 1 до 100 нм.
1 Верхнюю границу этого диапазона принято считать приблизительной, так как в основном уникальные свойства нанообъектов за ней не проявляются.
2 Нижнее предельное значение в этом определении (приблизительно 1 нм) введено для того, чтобы исключить из рассмотрения в качестве нанообъектов или элементов наноструктур отдельные атомы или небольшие группы атомов.
[ISO/TS 80004-1:2010, статья 2.1]
нанообъект: Материальный объект, линейные размеры которого по одному, двум или трем измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1).
[ISO/TS 80004-1:2010, статья 2.5]
наноматериал: Твердый или жидкий материал, полностью или частично состоящий из структурных элементов, размер которых хотя бы по одному измерению находится в нанодиапазоне (2.1).
[ISO/TS 80004-1:2010, статья 2.4]
наночастица: Нанообъект (2.2), линейные размеры которого по всем трем измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1).
[ISO/TS 27687:2008, статья 4.1]
нановолокно: Нанообъект (2.2), линейные размеры которого по двум измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1), а по третьему измерению значительно больше.
[ISO/TS 27687:2008, статья 4.3]
нанопластина: Нанообъект (2.2), линейные размеры которого по одному измерению находятся в нанодиапазоне (2.1), а размеры по двум другим измерениям значительно больше.
2 Размеры по двум другим измерениям значительно больше и отличаются от толщины более чем в три раза.
3 Наибольшие линейные размеры могут находиться вне нанодиапазона.
Что такое наноструктурированные материалы
ГОСТ Р 56085-2014/
ISO/TS 80004-4:2011
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Материалы наноструктурированные. Термины и определения
Nanotechnologies. Part 4. Nanostructured materials. Terms and definitions
Дата введения 2015-03-01
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении» (ФГУП «ВНИИНМАШ») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного документа, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 441 «Нанотехнологии»
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного документа для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5)
Введение
Необходимость разработки настоящего стандарта вызвана интенсивным развитием научных знаний в области нанотехнологий и появлением новых терминов, относящихся к наноструктурированным материалам.
Наноструктурированные материалы имеют внутреннюю или поверхностную наноструктуру. Нанообъекты (материальные объекты, линейные размеры которых по одному, двум или трем измерениям находятся в нанодиапазоне) могут быть наноструктурированными.
Материал не следует относить к наноструктурированным материалам, основываясь лишь на его кристаллическом строении (наличии трехмерного расположения атомов или молекул, формирующих кристаллическую решетку; ближнего атомного порядка в аморфной или квазиаморфной фазах; границ зерен; границ фрагментов внутри зерен, дислокаций и др.). Материал относят к наноструктурированным материалам в том случае, если при определении его гранулометрического состава выявлено существенное преобладание зерен (нанокристаллов), пустот или пор с размерами в нанодиапазоне, а также, если материал получен в процессе осаждения нанообъектов в твердую матрицу (см. ИСО/ТС 80004-1:2010, статья 2.4). Кроме того, почти все материалы имеют поверхности с морфологической и химической неоднородностью в нанодиапазоне. Однако только те материалы, у которых поверхности преднамеренно модифицированы или текстурированы с целью получения морфологической или химической неоднородности в нанодиапазоне, следует относить к наноструктурированным.
Вещества, которые содержат нанообъекты или наноструктурированные материалы, не обязательно сами являются наноструктурированными материалами.
В настоящем стандарте установлены термины и определения пяти видов наноструктурированных материалов (рисунок 1):
1) наноструктурированный порошок;
2) нанокомпозиционный материал;
3) твердая нанопена;
4) нанопористый материал;
5) текучая нанодисперсная система.
В настоящем стандарте установлены термины и определения подвидов некоторых видов наноструктурированных материалов.
Термины и определения, установленные в настоящем стандарте, могут не охватывать все существующие на сегодняшний день виды и подвиды наноструктурированных материалов. Термины и определения на дополнительные виды и подвиды наноструктурированных материалов будут включены в стандарт при его последующем пересмотре.
Нанообъекты (или их агрегаты или агломераты) в нанопорошках и в жидких нанодисперсных системах расположены не случайным образом, а образуют ближний порядок (структуру). Во многих случаях взаимодействие молекул жидкости (особенно полярных жидкостей) и нанообъектов (или их агрегатов или агломератов) происходит на их поверхности в тонком приграничном слое. Таким образом, в жидкости образуется «наноструктура» и однородность свойств жидкости изменяется. Это может быть выявлено с помощью физико-химических измерений.
Если жидкая среда является только фоном, и особые взаимосвязи между содержащимися в ней нанообъектами отсутствуют, то такие наносуспензии, представляющие собой скопление множества нанообъектов, не являются наноструктурированными материалами. Поэтому термин «наносуспензия» обозначает промежуточную зону между понятиями «наноструктурированный материал» и «материал, состоящий из нанообъектов». Термин «наносуспензия» включен в настоящий стандарт, так как область применения таких материалов достаточно обширна, а единая терминология для их описания отсутствует.
1 Область применения
Настоящий стандарт является частью серии стандартов ИСО/ТС 80004 и устанавливает термины и определения понятий в области нанотехнологий, относящихся к наноструктурированным материалам.
Настоящий стандарт не распространяется на материалы, имеющие топографические или композиционные свойства в нанодиапазоне, т.к. этого недостаточно для отнесения материала к наноструктурированным.
Настоящий стандарт предназначен для обеспечения взаимопонимания между организациями и отдельными специалистами, осуществляющими свою деятельность в области нанотехнологий.
2 Основные термины и определения
нанодиапазон: Диапазон линейных размеров приблизительно от 1 до 100 нм.
1 Верхнюю границу этого диапазона принято считать приблизительной, т.к. в основном уникальные свойства нанообъектов за ней не проявляются.
2 Нижнее предельное значение в этом определении (приблизительно 1 нм) введено для того, чтобы исключить из рассмотрения в качестве нанообъектов или элементов наноструктур отдельные атомы или небольшие группы атомов.
[ИСО/ТС 80004-1:2010, статья 2.1]
нанообъект: Материальный объект, линейные размеры которого по одному, двум или трем измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1).
[ИСО/ТС 80004-1:2010, статья 2.5]
наноматериал: Твердый или жидкий материал, полностью или частично состоящий из структурных элементов, размер которых хотя бы по одному измерению находится в нанодиапазоне (2.1).
[ИСО/ТС 80004-1:2010, статья 2.4]
наночастица: Нанообъект (2.2), линейные размеры которого по всем трем измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1).
[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.1]
нановолокно: Нанообъект (2.2), линейные размеры которого по двум измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1), а по третьему измерению значительно больше.
[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.3]
нанопластина: Нанообъект (2.2), линейные размеры которого по одному измерению находятся в нанодиапазоне (2.1), а размеры по двум другим измерениям значительно больше.
2 Размеры по двум другим измерениям значительно больше и отличаются от толщины более чем в три раза.
3 Наибольшие линейные размеры могут находиться вне нанодиапазона.
[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.2]
агрегат: Совокупность сильно связанных между собой или сплавленных частиц, общая площадь внешней поверхности которой может быть значительно меньше вычисленной суммарной площади поверхности ее отдельных компонентов.
1 Силы, удерживающие частицы в составе агрегата, являются более прочными и обусловленными, например, ковалентными связями, или образованными в результате спекания или сложного физического переплетения частиц друг с другом.
[ИСО/ТС 27687:2008, статья 3.3]
агломерат: Совокупность слабо связанных между собой частиц или их агрегатов или тех и других, площадь внешней поверхности которой равна сумме площадей внешних поверхностей ее отдельных компонентов.
1 Силы, скрепляющие агломерат в одно целое, являются слабыми и обусловленными, например, силами взаимодействия Ван-дер-Ваальса или простым физическим переплетением частиц друг с другом.
2 Агломераты также называют «вторичные частицы», а их исходные составляющие называют «первичные частицы».
[ИСО/ТС 27687:2008, статья 3.2]
наноструктура: Композиция из взаимосвязанных составных частей различных веществ, одна или несколько из которых имеют линейные размеры в нанодиапазоне (2.1).
[ИСО/ТС 80004-1:2010, статья 2.6]
2.10 наноструктурированный объект: Объект, имеющий внутреннюю или поверхностную структуру в нанодиапазоне (2.1).
наноструктурированный материал: Материал, имеющий внутреннюю или поверхностную наноструктуру.
[ИСО/ТС 80004-1:2010, статья 2.7]
2.12 нанофаза: Область или области материала, линейные размеры которой(ых) по одному, двум или трем измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1), и имеющая(ие) четкие физические или химические отличия от других областей материала.
2.13 нанопора: Полость, линейные размеры которой хотя бы по одному измерению находятся в нанодиапазоне (2.1).
1 Форма и содержание полости могут быть различны. Понятие «нанопора» включает в себя понятия «микропора» (пора шириной менее 2 нм), «мезопора» (пора шириной от 2 до 50 нм) и «макропора» (пора шириной более 50 нм). См. ИСО 15901-3:2007.
2 Соединенные между собой нанопоры могут пропускать через себя различные вещества (проницаемость).
2.14 нанодисперсная система: Материал, содержащий нанообъекты (2.2) или нанофазы (2.12), диспергированные в непрерывной фазе.
2.15 нанопена: Материал с жидкой или твердой основной фазой (матрицей), заполненный газовой фазой.