Наноструктурированные функционально- градиентные структуры и материалы особенности синтеза

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Наноструктурированные функционально- градиентные структуры и материалы: особенности синтеза и создание новых функциональных свойств

Наноструктуры и нанотехнология «нано» - приставка означает изменение масштаба в 10 (-9) (миллиард) раз, т. е. 1 нм = 10 (-9) м. Таким образом наноструктура это обьект нанометрового размера, т. е. от 0, 1 до 10 нм ( 1 - 100 Å ). Однако на практике размер нанообьектов принято считать ( недостаточно обоснованно) вплоть до 100 нм. Тогда термин «нанотехнология» обозначает создание любого твердого тела ( материала), имеющего микро - и макроразмеры из структурных единиц нанометрового размера.

Классификация твердых веществ (на примере частиц) по размерам

Два главных нанотехнологических принципа обработки материалов 1) «сверху - вниз» 2) снизу - вверх»

Объекты исследования 1. Высокоорганизованное вещество Высокоорганизованные структуры – это объекты с более сложной структурной организацией, чем продукты естественных процессов упорядочения с такой же степенью многоатомности при идентичном или более сложном химическом составе. 2. Функционально-градиентные материалы (ФГМ) ФГМ – это материал сочетающий разнородные типы материалов и использующий преимущество каждого из них. Для большинства практических приложений ФГМ разрабатываются в виде покрытий, плёнок, слоёв микроструктура и свойства которых изменяются по толщине.

Природные высокоорганизованные материалы • Зуб Основа зуба: дентин (80%) и эмаль Дентин Эмаль Кристаллиты + Макромолекулы гидроксил апатита протеина (белок) Апатит – Ca 10 R 2(PO 4)6, где R-OH, F Эмаль – кристаллиты, длина 300 - 500 нм } 20 % ширина 50 – 120 нм } объёма 1 - эмаль, 2 - дентин, 3 - цемент Дентин - кристаллиты, длина 20 - 30 нм } 70 % ширина 4 – 7 нм } объёма Зуб – структурированное многоуровневое изделие – много структурных уровней

Схема строения наноструктурированных высокоорганизованных твердых химических соединений • • • А– с однородным характером распре-деления химического состава и строения, например, из монослоев элемент-кислородных групп одного химического состава, l – толщина монослоя, L – толщина слоя, l 1 = l 2 = l 3 = l 4; 1– например Ti–O монослои. Б – периодическое распределение элементкислородных слоев по оси z, (L – толщина слоя) состоящих из определенного количества монослоев, например, по схеме: 1 – группы Fe -O, 2 – группы Ti-O (a – двухслойный, l 1 = l 2 , б, в – четырехслойная l 1 = l 3 и l 2 = l 4 ). В – апериодическое распределение элементкислородных слоев по оси z, четырехслойная структура l 1 l 2 l 3 l 4 Г – апериодическое распределение атомов в плоскости поверхностного монослоя, вид сверху: х – группы Fe-O, о – группы Ti-O; а, б разные соотношения групп Fe-O и Ti-O. Д - апериодическое распределение "нульмерных" структур в плоскости подложки: 1 –Si , 2 – [ Fe]

Энергетическая диаграмма гипотетического многостадийного процесса синтеза A → B → C B’ и C’ – промежуточные переходные состояния; Pr 1 и Pr 2 – реагенты

Энергетическая диаграмма реакции с кинетическим и термодинамическим контролем [Si. O 2]m-1 O 1, 5 Si. OH + Cl 2 [Si. O 2]m-1 O 1, 5 Si. Cl 4 A B C 1 – реакция A → B доминирует, продукт B кинетически стабилен; 2 – доминирует побочная реакция A → C ; 3 – доминирует реакция A → B, но продукт В кинетичес-ки не устойчив и быстро превращается в С.

Схема химической сборки оксидных наноструктур методом молекулярного наслаивания а –слой заданной толщины; б – слой с заданным расположением монослоёв различной химической природы; в– многокомпонентные монослои

Схема строения твердых химических соединений а – исходный оксид металла (MOn); б– поверхностное химическое соединение [MO]n-1 (M– O)2 Si(OH)2 ; в–пространственно разделенное соединение [MOn] –[Si. O 2]; 1 – условная ( внутренняя ) граница раздела

Фрагмент химического строения твердого тела, состоящего из частей разного химического состава ( групп Si–O и Ti–O), связанных тремя разными способами • 1 – пространственно–разделенное соединение; • 2 – пространственно–разделенный аддукт; • 3 – механическая смесь частиц Si. O 2 и Ti. O 2.

Активность наноструктурированных алюмосиликатных систем в реакции крекинга при 500 0 С анаблюдаемая энергия активации б- количество поверхностны х атомов

Магнитная восприимчивость однокомпонентных и двухкомпонентных наноструктур n – число элемент-кислородных монослоёв – двухкомпонентный монослой

Зависимость твёрдости объемного наноструктурированного материала на основе Ti. N / Nb. N от суммарной толщины двух слоёв L=15 -300 нм

Примеры возможных наноструктурированных функционально-градиентных наноматериалов

Сорбционные свойства наноструктурированных материалов Схема строения ферромагнитного наноструктурированного сорбента на ионы урана а – образец с двумя монослоями групп Ti-O b – образец с железокислородными монослоями и двумя монослоями групп Ti-O, обладающий ферромагнитными свойствами 1– частица Si. O 2 (аэросил); 2 – слой Fe 3 O 4 (толщиной 10 – 15Å); 3 – слой Ti. O 2 (толщиной 6 – 10Å).

Заключение Таким образом, можно констатировать, что к настоящему времени создана научная база, позволяющая решать сложные синтетические задачи, включая конструирование высокоорганизованных наноструктурированных твердых веществ и материалов, в том числе функционально-градиентных.

Скачать презентацию Наноструктурированные функционально- градиентные структуры и материалы особенности синтеза

Презентация-студ семин.ppt

Количество слайдов: 18