Структура материалов

Структура – это закономерная пространственная организация объектов, составляющих материал, включая границы их раздела. К структуре также относят дефекты, возникающие при изготовлении материала и деталей.

Приобретая промышленный продукт, обращают внимание на его внешний вид и функции (блеск благородных металлов, декоративная керамика и металлические детали). Однако потребительские свойства товаров и срок эксплуатации определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены, а свойства, в свою очередь, зависят не столько от химического состава, сколько от распределения составляющих компонентов. Распределение составных частей материала (пространственное распределение элементов, фаз, их ориентация), а также дефектов объединяются термином «микроструктура».

Различают следующие иерархические уровни структурной организации материалов:

- макроуровень – размеры структурных составляющих находятся в пределах 10^-3 - 10^{-1 м; изучаемая структура называется макроструктурой;}

- микроуровень – размеры структурных составляющих находятся в пределах 10^-4 - 10^{-7 м; изучаемая структура называется микроструктурой;}

- субмикро- или наноуровень – размеры структурных составляющих находятся в пределах 10^-7 - 10^{-9 м; изучаемая структура называется тонкой структурой или наноструктурой соответственно.}

Прямое наблюдение и идентификацию структуры (ее визуализацию) проводят с помощью микроскопического анализа, при котором используются специальные приборы – микроскопы.

Микроскопы имеют различные принципы действия, определяющие их разрешающую способность, т. е. минимальный размер исследуемого объекта. Размер объекта должен быть соизмерим с длиной волны, применяемой в исследовательской аппаратуре. Так, с помощью световой микроскопии (СМ) можно идентифицировать объекты размером до 200 нм, с помощью электронной растровой (РЭМ) или электронной просвечивающей микроскопии (ПЭМ) – объекты размером до 0,2 – 1,0 нм. Структура реального материала, следовательно, имеет инструментальный, а не термодинамический характер, так как ее наблюдение (визуализация) и идентификация зависят от типа применяемой аппаратуры.

В просвечивающем электронном микроскопе изображение формируется в результате прохождения потока электронов через тонкий образец. В растровых электронных микроскопах изображение формируется путем отражения потока электронов от образца. Их разрешающая способность ниже, чем у просвечивающего электронного микроскопа, однако они не требуют трудоемкой операции подготовки образца и дают его объемное изображение.

Появление новой аппаратуры на определенном этапе развития техники может быть усовершенствованием данного метода исследования или революционным скачком, определяющим развитие материаловедения на многие годы вперед. Так, изобретение просвечивающего электронного микроскопа в середине 20 века привело к возможности изучения характера идеальных и реальных кристаллов, промышленных сплавов и пр.

Изобретение в 1980 е гг. сканирующего туннельного электронного микроскопа явилось началом не только наблюдения структур с наноразмерами (10^{-9 м), но и создания новых объектов путем манипулирования на атомном уровне. Это стало началом технической революции в мире, которая по своим масштабам и последствиям превосходит компьютерную революцию конца 20 века.}

В кратчайшие сроки появились новые термины: «нанонаука», «нанотехнология», «фуллерены» и др. Нанотехнология имеет огромный потенциал для использования в разных практических областях – от производства более прочных и легких конструкционных материалов до уменьшения времени доставки наноструктурированных лекарств в кровеносную систему, увеличения емкости магнитных носителей и создания триггеров для быстрых компьютеров.

В процессе разработки технологий получения и производства наноматериалов необходимо наблюдать и управлять перемещением отдельных атомов и молекул в пространстве. Одним из инструментов наблюдения за результатами нанотехнологических манипуляций является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), принципиальная схема которого представлена на рис. 11.

Рис. 11 Принципиальная схема сканирующего туннельного микроскопа: 1 – зонд; 2 – пьезоэлектрический двигатель, 3 – усилитель туннельного тока; 4 – модуль обратной связи; 5 – образец, 6 – источник напряжения

Работа СТМ основана на следующем принципе. Электроны являются не только фундаментальными частицами, но и волной (им свойственен корпускулярно-волновой дуализм), поэтому при сближении двух тел волновые функции электронов перекрываются раньше, чем осуществляется механический контакт этих тел, т. е. появляется возможность перехода электронов от одного тела к другому без их механического контакта. Если тела электропроводящие, то при создании незначительной разности потенциалов между ними проходит электрический ток, который называется туннельным. Эффект туннелирования используется в СТМ, где один из проводников изготавливается в виде иглы (зонда), а другим проводником становится поверхность исследуемого материала.

Таким образом, новая техническая революция совершается не в области ядерной физики, как в середине 20 века, не в области информационных технологий, как в конце 20 века, а в области структуры материалов.