Нанотехнология и наноматериалы

Учебниковая опора

• Закирова Н. А., Аширов Р. Р. «Физика. 11 класс (ЕМН)», часть 1, 11 класс, Арман-ПВ, 2020, с. 260–265
• Закирова Н. А., Аширов Р. Р. «Физика. 11 класс (ЕМН)», Арман-ПВ, с. 261, 266

Главное

• Нанотехнологии — совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне для получения заранее заданных свойств.
• Наноматериалы — материалы, размер которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нм и которые имеют качественно новые свойства из-за наномасштаба.
• Свойства наноматериалов определяются не только составом, но и размером: меняются механические, тепловые, химические, электрические и оптические свойства.
• Графен — слой атомов углерода толщиной в один атом с гексагональной (шестиугольной) решёткой; открыт А. Геймом и К. Новосёловым (Нобелевская премия 2010 г.).
• Два подхода к получению: измельчение крупного материала или выращивание из атомов и молекул.

Теория

Отрасли нанотехнологий: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы, нанобиотехнологии.

Типы наноматериалов

Тип	Примеры	Геометрия
1D (одномерные)	углеродные нанотрубки, нановолокна, наностержни, нанопровода	длина — несколько микрон, диаметр — несколько нанометров
2D (двумерные)	покрытия и плёнки на подложке, графен	толщина — несколько нанометров и меньше

Что меняется на наноуровне: материал может стать сверхтвёрдым или сверхпластичным, процессы идут быстрее, меняются цвет, электропроводность и теплопроводность.

Свойства графена

Характеристика	Значение
Постоянная решётки	0,246 нм
Поверхностная плотность	0,77 мг/м²
Модуль Юнга	1 ТПа
Теплопроводность	$5{,}1\cdot10^3$ Вт/(м·К)
Поглощение видимого света	не более 2 % (прозрачность 0,977)
Прочность на разрыв	42 Н/м

Графен проводит ток лучше меди, прочнее стали примерно в 100 раз; лист площадью 1 м² массой 0,77 мг удержал бы груз 4 кг; не пропускает даже гелий и водород.

Методы получения (по природе процесса синтеза)

1. Механические — трение, давление, прессование, вибрация.
2. Физические — испарение, конденсация, возгонка, резкий нагрев или охлаждение, распыление расплава.
3. Химические — электролиз, восстановление, термическое разложение.
4. Биологические — биохимические процессы в белковых телах.

Графен впервые получили отслаиванием («отшелушиванием») слоёв графита на подложке из окисленного кремния $\mathrm{SiO_2}$; метод подходит для слоистых материалов и дал новые двумерные кристаллы ($\mathrm{BN}$, $\mathrm{MoS_2}$, $\mathrm{NbSe_2}$). В домашнем опыте графит многократно отслаивают скотчем.

Применение

• Электроника: размеры транзисторов уменьшены с 90 до 14 нм — миллиард транзисторов на 1 см² кремния; графеновые сенсорные экраны и гибкая электроника; ожидается переход от гигагерц к терагерцам.
• Энергетика: солнечные элементы на металлических наноантеннах (ИК-диапазон) с КПД до 80 % против ~20 % у обычных батарей; накопители на графене и кремниевых нановолокнах; ионисторы (суперконденсаторы).
• Медицина: чипы контроля здоровья, адресная доставка лекарств наночастицами, сверхпрочные имплантаты.
• Строительство: краски на основе известняка и графена, сверхпрочные тросы, кабели, балки.

Микроскопы и фуллерены: хронология

• 1981 г. — Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, позволивший манипулировать веществом на атомарном уровне.
• 1985 г. — открыт новый класс соединений, фуллерены (Р. Керл, Х. Крото, Р. Смолли); пример — $C_{60}$.
• 1986 г. — сканирующий атомно-силовой микроскоп расширил типы исследуемых материалов.

Примеры

1. Масштаб. Сколько нанометров в 1 мм? $1$ мм $= 10^{-3}$ м $= 10^6$ нм. Плёнка толщиной 50 нм — наноматериал (меньше 100 нм хотя бы в одном измерении).
2. Масса графена. Масса листа графена площадью 10 м²: $m = 0{,}77\cdot10 = 7{,}7$ мг.
3. Число транзисторов. При переходе от 90 до 14 нм линейный размер уменьшился в $90/14 \approx 6{,}4$ раза, а площадь элемента — примерно в $6{,}4^2 \approx 41$ раз; во столько же раз больше элементов помещается на той же площади.
4. Классификация метода. Получение наночастиц электролизом — химический метод; измельчение в мельнице — механический; конденсация паров — физический.

Типичные ошибки на ЕНТ

• Считают, что наноматериал должен быть меньше 100 нм во всех измерениях (достаточно одного).
• Думают, что свойства наноматериала определяются только химическим составом.
• Путают 1D и 2D: нанотрубки и нанопровода — одномерные, плёнки — двумерные.
• Путают первооткрывателей графена или год премии (Гейм и Новосёлов, 2010).
• Относят электролиз к физическим методам (он химический).

Самопроверка

1. Каков предельный размер наноматериала? — Не более 100 нм хотя бы в одном измерении.
2. Какую структуру имеет графен? — Однослойную гексагональную решётку из атомов углерода.
3. Каким методом впервые получили графен? — Отслаиванием (отшелушиванием) на подложке из $\mathrm{SiO_2}$.
4. Назовите два подхода к получению наноматериалов. — Измельчение крупного материала и выращивание из атомов и молекул.
5. Какой КПД у солнечных элементов на наноантеннах по сравнению с обычными? — До 80 % против ~20 %.