Техника - молодёжи 2009-08, страница 22

Нанотехнологии

2009 N"08 ТМ

20 нм

Рис. 9. Схематическое изображение наночастиц кобальта с поверхностно-активным веществом в растворе

Рис. 8

к их, чем температура плавления обычного золота,

...А СЛОМАТЬ ТРУДНЕЕ

Но не во всём наночаетицы «слабее» макротел. Такие свойства, как прочность, упругость, твердость, тре-щиностойкость {сопротивление развитию трещины), предел усталости — эти свойства усиливаются. В общем случае усиление механических свойств связано с тем, что из-за своего малого размера частицы, как правило, не имеют структурных дефектов, а именно они ослабляют многие механические свойства.

Как уже говорилось, малый размер частиц сопоставим со многими фундаментальными длинами. Например, минимальный размер трещины, которая возникает под действием приложенной силы и приводит к разлому кристалла, составляет 1 — 100 нм, в зависимости от материала.

Например, для меди критическая длина трещины составляет 50 нм. Это значит, что, если под действием внешней силы в структуре образца возникнет трещина между соседними слоями атомов длиной, скажем, 15 нм, то кристалл при этом не развалится. Увеличиваем приложенную силу — размер дефекта растёт, но образец продолжает «держаться» до тех пор, пока трещина не достигнет 50 нм. Это — критический размер дефекта, дальше он растёт сам, без усиления внешнего воздействия. И кристалл разламывается.

Другими словами, частицы меди размером меньше 50 нм обладают сверхпрочностью. Они гораздо прочнее куска обычной меди — просто потому, что их размер меньше минимальной длины трещины, необходимой для разрушения меди как кристаллической структуры. А например, сферические наночаетицы кремния размером 20—50 нм (рис. 8) по своей

твёрдости приближаются к самому твёрдому минералу — алмазу!

ВЗВЕСЬ ИЗ НАНОЧАСТИЦ

Другая интересная особенность наночастиц состоит в том, что они могут формировать взвесь. Рсчьидётотом, что достаточно малые металлические наночаетицы, находящиеся в той или иной жидкости, не будут выпадать в осадок. На первый взгляд это звучит парадоксально: как могут плавать частицы, например железа, в воде, если плотность железа больше плотности воды?

Способность частиц формировать взвесь объясняется их малым размером и тем, что в такой взвеси поверхность частиц покрыта защитной плёнкой — поверхностно-активным веществом (surfactant). Взаимодействие этого вещества с жидкостью, будет преодолевать силы, обусловленные разностью в плотности. Однако само по себе наличие поверхностно-активного вещества еще не достаточно для обеспечения плавучести — чем ни покрывай железную гайку, она всё равно будет тонуть.

А вот железная наночастица не тонет. Здесь вступает в действие другой необходимый фактор — достаточно малый размер самой частицы. Дело в том, что наночаетицы в жидкости беспрерывно двигаются, то есть они подвержены броуновскому движе-

NANOHAZARD

Рис. ТО. Финалисты конкурса на лучший знак «Осторожно, наномагериалы!». Вверху справа -знак «Осторожно, радиация!»

нию — в отличие от макротел, которые слишком для этого тяжелы. Малые частицы будут непрерывно двигаться в объёме жидкости, не слипаясь, образовывая взвесь; в то время как макротело пойдёт ко дну.

Поверхностно-активным веществом служат органические соединения, молекулы которых состоят из «головы», химически связанной с поверхностью частицы, и «хвоста», который «предпочитает» быть растворённым в жидкости (рис. 9). Их также используют для недопущения слипания (по-научному - агломерации) металлических наночастиц и для предотвращения их окисления.

Меняя химический состав «хвоста», можно добиться растворения частиц во многих жидкостях, а меняя его размер, изменять то минимальное расстояние, на котором будут «держаться» друг от друга стремящиеся слипнуться наночаетицы. Благодаря этому, стало возможным изучение взаимодействий наночастиц в зависимости от расстояния между ними. Это позволило также использовать наночаетицы как носители лекарств, которые в данном случае и играют роль этого самого поверхностно активного вещества.

НОВЫЕ СВОЙСТВА-НОВЫЕ ОПАСНОСТИ...

На заре развития ядерной энергетики действию радиации на человеческий организм не придавали должного значения, что на бытовом уровне понятно - ведь её не видно... То же самое происходит и с наночастицами, которых тоже не видно невооружённым глазом.

Наиболее опасные наночаетицы — это те, которые растворены и называются свободными, или несвязанными. Тут подразумевается, что частицы не прикреплены к подложке, или не помещены в твёрдую матрицу - например в кремний или парафин. Такие части цы могут свободно попасть на кожу, испариться в воздухе и попасть в дыхательные пути либо в желудок.

20