Нанофазные материалы – более прочные

При достаточно большой нагрузке все материалы ломаются и в месте излома соседние слои атомов навсегда отходят друг от друга. Однако прочность многих материалов зависит не от того, какую силу надо приложить, чтобы отделить два соседних слоя атомов. На самом деле, разорвать любой материал гораздо легче, если в нём есть трещины. Поэтому прочность твёрдых материалов зависит от того, сколько в нём микротрещин и каких, и как трещины распространяются по этому материалу. В тех местах, где есть трещина, сила, испытывающая на прочность материал, приложена не ко всему слою, а к цепочке атомов, находящейся в вершине трещины, и поэтому раздвинуть слои очень легко (см. рис. 48).

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.