NANOMATERIALE SI NANOTEHNOLOGII 3POLITEHNICA University of Bucharest

Faculty of Mechanical Engineering and Mechatronics

PROPRIETIMaterialele masive nanostructurate sunt definite ca solide masive cu microstructur nanometric sau parial nanometric.

La nceputul secolului XX, atunci cnd s-au vizualizat pentru prima dat microstructurile cu ajutorul microscopului optic, s-a constatat c unele microstructuri, de exemplu granule foarte mici, prezentau proprieti atractive precum o rezisten mecanic sporit sau o duritate mai mare.

PROPRIETIUn exemplu clasic de mbuntire a proprietilor datorit unei microstructuri mai fine cu trsturi prea mici pentru a putea fi observate cu microscopul optic este mbtrnirea aliajelor de aluminiu.

Odat cu apariia microscopului cu transmisie de electroni (MTE) i metodelor sofisticate care utilizeaz difracia de raze X, s-a determinat c precipitatele fine responsabile de ntrirea prin mbtrnire, n aliajele Al-4%Cu, de exemplu, sunt aglomerrile de atomi de Cu zone Guinier-Preston (GP) i precipitatul parial metastabil coerent .

Duritatea maxim s-a observat la amestecul de GPII (sau ) i plci de cu grosimea de 10 nm i diametrul de 100 nm.

Concluzie = caracteristica important a aliajelor de aluminiu a cror duritate crete prin mbtrnire, este structura nanometric.

Pe lng acest exemplu exist i altele care pun n eviden microstructuri nanometrice cu proprieti mbuntite.

PROPRIETIDensitatea critic de curent JC a produsului comercial Nb3Sn superconductor poate fi controlat de ctre granulometrie: dimensiuni ale granulelor de 50 80 nm determin valori mari ale JC (Scanlan et al. 1975).

Reprezentarea domeniului materialelor nanocristaline ca activitate major n tiina modern a materialelor rezult n mare msur din studiul lui Gleiter i col., din anii 80, care a sintetizat materiale ultrafine prin consolidarea in situ a unor aglomerri de atomi.

Dimensiunea foarte redus (< 100 nm) a acestor granule poate avea ca rezultat proprieti mbuntite n mod substanial sau diferite fa de materialele policristaline sau monocristaline cu granulometrie convenional (> 100 m), care au aceeai compoziie chimic.

PROPRIETIProprieti mecanice mbuntite au fost observate pentru prima dat la materialele obinute prin metoda condensrii din stare gazoas:

Un modul de elasticitate mai mic dect cel al materialelor cu granulometrie convenional cu procente cuprinse ntre 30 i 50 %;

Duritate i rezisten mecanic foarte mari valorile duritii metalelor nanocristaline pure (~ 10 nm dimensiunea granulelor) sunt de 2 pn la de 7 ori mai mari dect cele ale metalelor cu granulometrie mai mare (> 1 m);

Ductilitate probabil i un comportament superplastic la temperaturi joase la materialele ceramice fragile sau intermetalice cu granule de dimensiuni nanometrice, fenomen aprut datorit mecanismelor de deformare difuzional.

APLICAIIExemple de aplicaii prezente i poteniale cu impact tehnologic semnificativ, pentru care, n momentul de fa sunt cheltuite resurse considerabile n toat lumea pentru cercetare i dezvoltare.

Tabelul 1: Impact tehnologic: prezent i potenial

TehnologieImpact prezentImpact potenialDispersii i acopeririBariere termiceBariere optice (vizibil i UV)mbuntirea prelucrrii imaginilorCerneluriStraturi pentru nregistrarea de informaiiTratament intit cu medicamenteTerapie geneticNanoacoperiri multifuncionale Materiale cu suprafa specific mareSite moleculareMedicamenteCatalizatoare cu dimensiuni controlateMateriale folosite pentru absorpie sau desorpieSenzori specifici anumitor moleculeFiltre pentru fraciuni organice sau bacteriiStocare de energieCelule solare tip Grtzel

PERSPECTIVEn momentul de fa ne aflm la o rscruce n ceea ce privete metodele de obinere a materialelor i produselor.

Calea pe care aceast revoluie tehnologic o va urma, ct de mari vor fi oportunitile care se vor ivi n domeniul nanomaterialelor, ct de rapid se va progresa, toate acestea depind de felul n care se vor rezolva anumite probleme specifice.

PERSPECTIVESe are n vedere creterea posibilitilor de caracterizare n vizualizarea i analiza chimic la scar foarte mic.

Materia trebuie manipulat la o scar foarte mic, iar simularea pe computer poate fi utilizat pentru dirijarea cilor de abordare. Numai prin experimente nu se poate obine rezultatul scontat. Teoria i modelarea sunt lucruri eseniale. Din fericire, n momentul de fa exist capacitatea tehnic de simulare a structurii nanometrice a materiei.

PERSPECTIVEPrin urmare, simularea pe mai multe scri a nanostructurilor i a proprietilor materialelor rezultate, plecnd de la atom, trecnd prin mezoscopic i ajungnd la scara macroscopic, este o necesitate absolut pentru a valorifica potenialul tiinei i tehnologiei nanostructurale.

PERSPECTIVEMai mult, trebuie s nelegem rolul critic jucat de suprafee i interfee n materialele nanostructurate.Nanoparticulele au suprafee specifice foarte mari, ceea ce implic suprafee mari n materialele n care sunt asamblate.

Trebuie cunoscute n detaliu nu numai structurile acestor interfee, dar i proprietile lor chimice locale i efectele segregrilor i interaciunilor dintre structurile nanometrice i mediile nconjurtoare.

PERSPECTIVETrebuie s aflm mai multe despre controlarea dimensiunii nanostructurilor i distribuia dimensiunilor, compoziiei i asamblrii.

Pentru anumite aplicaii, exist condiii foarte rigide n legtur cu aceti parametri; n alte aplicaii, aceste condiii sunt mai lejere.

Piramid dintr-o cantitate exact de atomi de Ge, format spontan pe suprafaa Si

PERSPECTIVEDe asemenea, trebuie adunate informaii despre stabilitatea termic, structural i chimic a nanomaterialelor i a dispozitivelor alctuite din aceste materiale, n funcie de temperatur i de modificrile chimice ale mediilor n care aceste materiale trebuie s-i exercite funciile.

Un nanomaterial care are o structur nanometric numai la nceputul procesului, nu este de mare ajutor, dac procesul nu se ncheie ntr-un timp foarte scurt sau dac procesul nu este el nsui scopul de utilizare al nanomaterialului. Deci, pentru multe aplicaii, stabilitatea este o condiie foarte important, i trebuie verificat dac stabilitatea natural a materialelor este suficient sau este necesar o stabilizare suplimentar mpotriva unor modificri nedorite.

PERSPECTIVEPentru comercializarea i utilizarea efectiv a materiei nanostructurate sunt necesare mbuntiri ale controlului statistic al proceselor.

Atingerea unui nivel corespunztor de reproductibilitate a proceselor i reproducere a acestora la scar mai mare, sunt condiii foarte importante pentru ca ceea ce se obine n laborator, s ajung s contribuie la dezvoltarea societii, cea care pltete, de fapt, aceste lucrri de cercetare.