Свойства наноматериалов

Классификация наноматериалов и их структурные особенности

Наноматериалы представляют собой вещества, структурные элементы которых имеют размеры в диапазоне от 1 до 100 нм по крайней мере в одном измерении. В зависимости от геометрической размерности выделяют:

Нулемерные (0D) — наночастицы, кластеры, квантовые точки, обладающие квантово-размерными эффектами во всех направлениях.
Одномерные (1D) — нанотрубки, нанопроволоки, наноленты, характеризующиеся квантовыми эффектами в двух направлениях и свободой движения вдоль одной оси.
Двухмерные (2D) — графен, переходные металл-дихалькогениды, нанопленки с толщиной порядка нанометров, но большой протяженностью в плоскости.
Трехмерные (3D) — наноструктурированные объемные материалы, где размер зерен или доменов не превышает 100 нм.

Поверхностные эффекты и доля атомов на поверхности

Одним из ключевых факторов, определяющих свойства наноматериалов, является высокая удельная поверхность. При уменьшении размера частиц доля атомов, находящихся на поверхности, существенно возрастает. Например, для частицы диаметром 5 нм эта доля может достигать 40–50 %. Это приводит к:

повышенной химической активности;
снижению температуры плавления (эффект Гиббса–Томсона);
изменению упругих, оптических и электрических свойств.

Квантово-размерные эффекты

При достижении размеров, сравнимых с длиной волны де Бройля носителей заряда, наблюдаются эффекты квантования энергетического спектра. Основные проявления:

Квантование уровней энергии в квантовых точках, что изменяет спектр поглощения и излучения;
Повышение запрещенной зоны (blue shift) при уменьшении размера полупроводниковых наночастиц;
Сильная зависимость оптических свойств от размеров, формы и состава наночастиц.

Механические свойства наноматериалов

Наноструктурированные металлы и керамики демонстрируют повышенную твердость и прочность вследствие измельчения зерен, что соответствует уравнению Холла–Петча:

σ_y = σ₀ + k ⋅ d^−1/2

где σ_y — предел текучести, d — размер зерна, k — коэффициент упрочнения. При очень малых размерах зерен (менее 10–15 нм) может происходить инверсия эффекта Холла–Петча, когда прочность снижается из-за доминирования скольжения по границам зерен и диффузионных процессов.

Тепловые и теплопроводные характеристики

Теплопроводность наноматериалов сильно зависит от размерного фактора из-за рассеяния фононов на границах и дефектах. Так, нанопористые и нанозернистые материалы имеют пониженную теплопроводность, что используется в термоэлектрике для повышения коэффициента термоэлектрического качества ZT.

Электрические свойства и транспорт заряда

В наноматериалах транспорт электронов и дырок может носить баллистический характер при длинах пробега, сравнимых с размерами системы. Ключевые особенности:

туннелирование носителей через потенциальные барьеры;
кулоновская блокада в металлических наночастицах;
квантование проводимости в атомарных проводниках.

Оптические свойства

Для металлических наночастиц (золото, серебро) характерно явление локализованных поверхностных плазмонных резонансов (LSPR), когда колебания свободных электронов резонируют с падающим светом. Это приводит к интенсивному поглощению и рассеянию в узких спектральных диапазонах. В полупроводниковых нанокристаллах размеры влияют на положение края поглощения, позволяя точно настраивать спектральный отклик.

Магнитные свойства

Ферромагнитные наночастицы при уменьшении размера до критического значения переходят в состояние суперпарамагнетизма, когда магнитный момент может свободно переориентироваться под действием тепловых флуктуаций. Это проявляется в отсутствии магнитного гистерезиса при комнатной температуре.

Химическая и каталитическая активность

Нанокатализаторы обладают высокой эффективностью за счет увеличенной поверхности и особой электронной структуры поверхностных атомов. Важную роль играют дефекты кристаллической решетки, границы зерен, а также наличие активных центров на поверхности.

Стабильность и агрегация

Мелкодисперсные наноматериалы склонны к агломерации из-за высоких поверхностных энергий. Для стабилизации используются поверхностно-активные вещества, полимерные оболочки или функциональные группы, предотвращающие слипание.