Теория и практика создания специфических нанообъектов с помощью методов электрокристаллизации и термообработки металла

Глава 4. в книге Перспективные материалы, том III: Наноматериалы технического и медицинского назначения. Учеб. пособие / Под ред. Д. Л. Мерсона. ТГУ, МИСиС, 2009. – сс. 239-260

Пособие составлено по материалам лекций, прочитанных ведущими учеными-материаловедами России, ближнего и дальнего зарубежья на III Международной Школе «Физическое материаловедение», состоявшейся 24-28 сентября 2007 г. в гг.Тольятти, Самара, Ульяновск и Казань.

Авторы: Викарчук А.А., Ясников И.С.

Содержание:
Введение
4.1. Экспериментальная методика и теоретические подходы
4.2. Специфические нанообъекты, полученные методом электрокристаллизации металла
4.2.1. Нитевидные пентагональные кристаллы и микротрубки
4.2.2. Икосаэдрические микрокристаллы, получаемые методом электрокристаллизации металла, и их термообработка
Заключение
Контрольные вопросы
Список литературы
Список дополнительной литературы

Краткое описание
В настоящее время установлено, что при переходе от микро- к наночастицам происходит качественное изменение многих физико-химических свойств веществ, а именно: изменение температуры плавления и затвердевания, прочности, проводимости, характера кинетики химических процессов, протекающих на поверхности частиц и т.д. Эти изменения, обусловленные проявлением размерного эффекта (size effect), открывают огромные перспективы для практических применений наночастиц. В частности, в медицине исследуются возможности использования наночастиц для локальной доставки лекарственных средств, а также создания на основе нанопроволок детекторов, позволяющих распознавать конкретные типы маркеров рака. Необычные оптические и электрические свойства наноструктур предполагают возможность их использования для создания целого спектра приборов – от средств медицинской диагностики до различных сенсоров, волоконной оптики и компьютерных микросхем.

Именно поэтому создание широкомасштабных недорогих методов получения нанообъектов и наноструктурированных материалов является одной из наиболее сложных ключевых задач, стоящих сегодня перед современной наукой. В настоящее время основными способами получения металлических микро- и наночастиц являются нуклеация из газовой фазы с использованием различных методов физического и химического осаждения паров на подложку, а также их рост из расплава или раствора электролита. Однако более перспективным способом получения металлических микро- и наночастиц является электрокристаллизация металлов (electrocrystallization of metals).

Основными достоинствами этого способа являются: сравнительно простая технология, низкая себестоимость, возможность автоматизации и практически неограниченные возможности варьирования свойств получаемых объектов. Наиболее ощутимым проявлением размерного эффекта в микро- и наночастицах является возникновение в них осей симметрии пятого порядка, запрещённых классическими законами кристаллографии. В нанометровом диапазоне размеров для малых металлических частиц энергетически выгодной является не плотноупакованная кристаллическая структура (ГЦК, ОЦК, ГПУ), характерная для массивных металлов, а декаэдрическое или икосаэдрическое расположение атомов, т.е. нарушение дальнего трансляционного порядка. Это приводит к появлению в малых металлических частицах осей симметрии пятого порядка.

Кристаллы с пентагональной симметрией (crystals with pentagonal symmetry) обладают специфическим строением. Например, в пентагональном кристалле икосаэдрического габитуса (icosahedral habitus) для атомов, расположенных на осях симметрии икосаэдра, характерно отсутствие кристаллической структуры и дальнего порядка (атомы расположены на оси симметрии пятого порядка); для атомов, лежащих вблизи плоскостей двойникования, характерна локальная ГПУ-решётка, а отдельные сектора икосаэдра имеют локальную ГЦК-решётку. Следовательно, физико-механические свойства крупных пентагональных кристаллов не должны существенно отличаться от свойств обычных ГЦК-кристаллов из-за большой доли кристаллической составляющей. Повысить влияние пятерной симметрии на свойства кристалла можно только ограничением размеров самого кристалла до наномасштабного уровня.

Именно поэтому уникальность, а иногда и аномальность свойств нанообъектов обеспечивается четырьмя факторами: малостью размеров, развитой поверхностью, необычной для кристаллов пентагональной симметрией и химическим составом вещества.

Применение различных электролитов металлов позволяет варьировать химический состав образующихся нанообъектов и по специальным методикам получать пентагональные структуры с дисклинациями (disclinations) и двойниковыми границами (twin boundaries). Указанные дефекты кристаллического строения обеспечивают получаемым объектам высокую твердость и термическую стабильность, а наноразмеры или развитая поверхность (наличие полости и особой огранки способствуют достижению высокой доли поверхностных атомов) обеспечивают низкую плотность и температуру плавления, особенности теплообмена и фазовых переходов.

Таким образом, наличие в нанообъектах пентагональной симметрии, специфической огранки и внутренней полости (inner void) – это те важные факторы, управляя которыми, можно создавать материалы и изделия, имеющие заданные свойства и специфическое назначение. Именно поэтому получение и исследование необычных металлических частиц и кристаллов, имеющих оси симметрии пятого порядка, по определению и свойствам относящихся к нанообъектам, а также микроизделий из них представляет научный и практический интерес.