Нанотехнологии для школьников (стр. 9 из 11)
Рисунок 48. Схематическое изображение трещины между двумя слоями атомов, расширяющейся при действии сил (красные стрелки).
Распространению трещин часто мешает микроструктура твёрдого тела. Если тело состоит из микрокристаллов, как, например, металлы, то трещина, расколов надвое один из них, может наткнуться на внешнюю поверхность соседнего микрокристалла и остановиться. Таким образом, чем меньше размер частиц, из которых слеплен материал, тем труднее по нему распространяются трещины.
Материалы, составленные из наночастиц, называют нанофазными. Примером нанофазного материала может быть нанофазная медь, один из методов изготовления которой показано на рисунке 49.
Рисунок 49. Изготовление нанофазной меди.
Чтобы изготовить нанофазную медь, лист обычной меди нагревают до высокой температуры, при которой с его поверхности начинают испаряться атомы меди. С конвективным потоком эти атомы движутся к поверхности холодной трубки, на которой они осаждаются, образую конгломераты наночастиц. Плотный слой наночастиц меди на поверхности холодной трубки и является нанофазной медью.
Нанофазные материалы, которые часто называют наноструктурированными, можно изготовлять самыми различными способами, например, сжимая порошок из наночастиц при повышенной температуре (горячий отжим).
Образцы материалов, «слепленные» из наночастиц, оказываются гораздо более прочными, чем обычные. Механическая нагрузка нанофазного материала, как и у обычного, вызывает возникновение в нём микротрещины. Однако прямолинейному распространению этой микротрещины и превращению её в макротрещину мешают многочисленные границы наночастиц, из которых состоит этот материал. Поэтому микротрещина натыкается на границу одной из наночастиц и останавливается, а образец остаётся целым.
На рисунке 50 показано, как прочность меди зависит размера микрокристаллов или наночастиц, из которых она состоит. Видно, что прочность образца нанофазной меди может в 10 раз превышать прочность обычной меди, состоящей, как правило, из кристаллов размером около 50 мкм.
Рисунок 50. Зависимость прочности меди от размера гранул (частиц). Взято из Scientific American, 1996, Dec, p. 74.
При малых деформациях сдвига частицы нанофазных материалов способны чуть-чуть сдвигаться друг относительно друга. Поэтому мелкоячеистая структура нанофазных материалов является более прочной не только при растягивающих деформациях, но и при изгибе, когда соседние слои образца по разному изменяют свою длину.
Наночастицы TiO2 - наномыло и ловушка для ультрафиолета
Диоксид титана, TiO2 – самое распространённое соединение титана на земле. Порошок диоксида титана имеет ослепительно белый цвет и поэтому используется в качестве красителя при производстве красок, бумаги, зубных паст и пластмасс. Причиной такой белизны порошка диоксида титана является его очень высокий показатель преломления (n=2,7).
Оксид титана TiO2 обладает очень сильной каталитической активностью – ускоряет протекание химических реакций. В присутствии ультрафиолетового излучения диоксид титана расщепляет молекулы воды на свободные радикалы – гидроксильные группы ОН- и супероксидные анионы О2- (рис. 51).
Рисунок 51. Схематическое изображения процесса образования свободных радикалов ОН- и О2- при катализе воды на поверхности диоксида титана в присутствии солнечного света.
Активность образующихся свободных радикалов так высока, что на поверхности диоксида титана любые органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду. Следует отметить, что это происходит только при солнечном свете, который, как известно, содержит ультрафиолетовую составляющую.
Каталитическая активность диоксида титана растёт с уменьшением размера его частиц, так как при этом увеличивается отношение поверхности частиц к их объёму. Поэтому наночастицы титана становятся очень эффективными, и их используют для очистки воды, воздуха и различных поверхностей от органических соединений, которые, как правило, вредны для человека.
Фотокатализаторы, изготовленные на основе наночастиц диоксида титана можно включать в состав бетона автомобильных дорог. Опыты показывают, что при эксплуатации таких дорог концентрация монооксида азота гораздо ниже, чем над обычными. Таким образом, включение наночастиц диоксида титана в состав бетона может улучшить экологию вокруг автомобильных дорог. Кроме того, предлагают добавлять пудру из этих наночастиц в автомобильное топливо, что также должно снизить содержание вредных примесей в выхлопных газах.
Нанесённая на стекло плёнка из наночастиц диоксида титана прозрачна и незаметна для глаза. Однако такое стекло под действием солнечного света способно самоочищаться от органических загрязнений, превращая любую органическую грязь в углекислый газ и воду. Стекло, обработанное наночастицами оксида титана, лишено жирных пятен и поэтому хорошо смачивается водой. В результате, такое стекло меньше запотевает, так как капельки воды сразу распластываются вдоль поверхности стекла, образую тонкую прозрачную плёнку.
К сожалению, диоксид титана перестаёт работать в закрытых помещениях, т.к. в искусственном свете практически нет ультрафиолета. Однако учёные считают, что, слегка изменив структуру диоксида титана, можно будет сделать его чувствительным и к видимой части солнечного спектра. На основе таких наночастиц диоксида титана можно будет изготовить покрытие, например, для туалетных комнат, в результате чего содержание бактерий и другой органики на поверхностях туалетов может снизиться в несколько раз.
Из-за своей способности поглощать ультрафиолетовое излучение диоксида титана уже сейчас применяются при изготовлении солнцезащитных средств, например, кремов. Производители кремов стали использовать диоксид титана в виде наночастиц, которые настолько малы, что обеспечивают практически абсолютную прозрачность солнцезащитного крема.
Самоочищающаяся нанотрава и «эффект лотоса»
Нанотехнологии дают возможность создавать поверхность, похожую на массажную микрощётку. Такую поверхность называют нанотравой, и она представляет собой множество параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на равном расстоянии друг от друга (рис. 52).
Рисунок 52. Электронная микрофотография нанотравы, состоящей из кремниевых стержней диаметром 350 нм и высотой 7 мкм, отстоящих друг от друга на расстоянии 1 мкм.
Капля воды, попав на нанотраву, не может проникнуть между нанотравинками, так как этому мешает высокое поверхностное натяжение жидкости. Ведь для того, чтобы проникнуть между нанотравинками, капле надо увеличить её поверхность, а это необходимы дополнительные энергетические затраты. Поэтому капля «парит на пуантах», между которыми находятся пузырьки воздуха. В результате, силы прилипания (адгезии) между каплей и нанотравой становятся очень малы. Это значит, что капле становится невыгодно растекаться и смачивать «колючую» нанотраву, и она сворачивается в шарик, демонстрируя очень высокий краевой угол q, который является количественной мерой смачиваемости (рис. 53).
Рисунок 53. Капля воды на нанотраве.
Чтобы смачиваемость нанотравы сделать ещё меньшим, её поверхность покрывают тонким слоем какого-либо гидрофобного полимера. И тогда не только вода, но и любые частички никогда не прилипнут к нанотраве, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому и частицы грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды.
Самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют «эффектом лотоса», т.к. цветы и листья лотоса чисты даже тогда, когда вода вокруг мутная и грязная. Происходит это из-за того, что листья и цветки не смачиваются водой, поэтому капли воды скатываются с них, как шарики ртути, не оставляя следа и смывая всю грязь. Даже каплям клея и мёда не удаётся удержаться на поверхности листьев лотоса.
Оказалось, что вся поверхность листьев лотоса густо покрыта микропупырышками высотой около 10 мкм, а сами пупырышки, в свою очередь, покрыты микроворсинками ещё меньшего размера (рис. 54). Исследования показали, что все эти микропупырышки и ворсинки сделаны из воска, обладающего, как известно, гидрофобными свойствами, делая поверхность листьев лотоса похожей на нанотраву. Именно пупырчатая структура поверхности листьев лотоса значительно уменьшает их смачиваемость. Для сравнения на рис.54 показана относительно гладкая поверхность листа магнолии, который не обладает способностью к самоочищению.
Рисунок 54. Микрофотография поверхности листьев лотоса и магнолии. Внизу слева схематически показан один микропупырышек. Взято из Planta (1997), 202: 1-8.