ВВЕДЕНИЕ

Нанотехнологии обуславливают промышленную революцию, следующую за происходящей сегодня информационной революцией. Многие специалисты уверены, что в ближайшие десятилетия именно развитие нанотехнологий станет основой грядущей промышленной революции. Нанотехнологии позволят осуществить манипуляции с веществом на уровне точности нанометра, что означает возможность управления процессами в атомарном и молекулярном масштабе. На этом масштабном уровне стираются границы не только между естественными науками, но и между их прикладными или смежными разделами, такими как материаловедение, механика, электроника, генетика, нейробиология и т. д.

Нанотехнологии объединяют самые разные науки и, по своей сути, относятся к междисциплинарным исследованиям. Возможность управления различными характеристиками вещества на нанометровом уровне подводит ученых к необычным сочетаниям миниатюрных компонентов и их использованию даже для имитации некоторых молекулярных процессов, напоминающих жизнедеятельность микробиологических объектов.

Проблема получения объемных сверхмелкозернистых материалов и тонкодисперсных порошков металлов, сплавов и соединений, предназначенных для различных областей техники, давно обсуждается в литературе. Объемные сверхмелкозернистые материалы можно получать непосредственно из объемных крупнозернистых и аморфных материалов или же методами порошковой технологии (включая компактирование (прессование) и спекание) из тонкодисперсных порошков.

В последние десятилетия интерес к методам получения сверхмелкозернистых объемных и дисперсных материалов существенно вырос, так как обнаружилось (в первую очередь, на металлах), что уменьшение размера структурных элементов — частиц, кристаллов, зерен — ниже некоторой пороговой величины может приводить к заметному изменению их свойств. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдаются, когда размер зерен менее 100 нм. Изучение свойств сверхмелкозернистых материалов требует учета не только их состава и структуры, но и дисперсности.

Переход от свойств изолированных наночастиц к свойствам объемных (массивных) кристаллических веществ в течение многих десятилетий оставался белым пятном, так как отсутствовало промежуточное звено — компактное твердое тело с зернами нанометрового размера. Поэтому научный интерес к наноматериалам в дисперсном или компактном виде связан с ожиданием возможного влияния размера частиц порошка и зерен объемного материала или покрытия на свойства материала. Эти размеры соизмеримы с характерным масштабом того или иного физического явления (длина пробега электронов, длина волны упругих колебаний, размер магнитного домена и др.) и позволяют оценивать уникально большой вклад поверхностной энергии в суммарную свободную энергию частицы.

Малый размер зерен обусловливает большую развитость и протяженность межзеренных границ, которые при размере зерна от 100 до 10 нм содержат от 10 до 50 % атомов нанокристаллического твердого тела.

Имеются убедительные доказательства существенного влияния дисперсности вещества на характер протекания физических и химических процессов, физические и механические свойства материалов. Например, наноматериалы отличаются исключительно высокой диффузионной подвижностью атомов, на пять-шесть порядков превосходящей диффузию в обычных поликристаллических материалах.

Однако наноматериалы как метастабильные твердые тела в настоящее время не имеют общего теоретического описания, касающегося термодинамики, наноструктуры, строения межзеренных границ и их атомной плотности, нанопор и их влияния на свойства. Тем более, что практика создания наноматериалов находится в самом начале своего развития.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов.

Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или его сплавов), размером от 30 нм до 1-2 мкм, используются как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.

Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглащающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы. Нитевидные монокристаллы (усы) и поликристаллы (волокна) обладают очень высокой прочностью, например усы графита имеют прочность ~24,5 ГПа, или в 10 раз выше, чем прочность стальной проволоки. Благодаря этому, они используются в качестве наполнителя легких композиционных материалов аэрокосмического применения. Углеродные волокна и усы графита достаточно толстые (около 10 мкм) и не являются наноматериалами, но их получение и применение было первым шагом на пути к созданию углеродных наноматериалов.