Наноматериалы со специальными физическими свойствами

Наноматериалы могут быть использованы для изготовления магнитомягких и магнитотвердых материалов; проводников, полупроводников и диэлектриков; деталей лазерной, измерительной, вычислительной и атомной техники.

Магнитные материалы. Магнитомягкие материалы с высоким уровнем статических и динамических магнитных свойств изготавливают на основе Fe —Si —В с добавками Nb, Си, Zr и других переходных металлов. После закалки из расплава эти сплавы аморфны, а рабочие параметры достигаются после частичной кристаллизации при температуре 530—550 °С, когда выделяется упорядоченная нано—кристаллическая фаза Fe —Si (18 — 20) % с размером частиц около 10 нм. Объемная доля наночастиц в аморфной матрице составляет 60 — 80 %. Сплавы обладают низкой коэрцитивной силой (5— 10 А/м) и высокой начальной магнитной проницаемостью при обычных и высоких частотах при малых потерях (200 кВт/м³) на перемагничивание, что обеспечивает их применение в электротехнике и электронике в качестве трансформаторных сердечников, магнитных усилителей и импульсных источников питания, а также в технике магнитной записи и воспроизведения и т. д., обеспечивая значительную миниатюризацию этих устройств и стабильную работу в широком диапазоне частот и температур. Мировой выпуск сплавов оценивается на уровне 1000 т в год.

При изготовлении покрытий головок магнитной записи используют нанокристалличсскис железных пленок с добавками тугоплавких соединений (ZrN, A1N и др.), полученных магнетронным распылением. Это позволяет повысить рабочие характеристики головок при высокой термической стабильности и износостойкости.

Для изготовления постоянных магнитов небольших размеров используются нанокристалличсскис магнитотвердые материалы на основе Fc — Nd — В и Fe — Sm — М, получаемые методами механохимического синтеза.

Магнитные наноматериалы, используемые для изготовления устройств хранения и записи информации (тловки, носители, диски и г. д.), позволили значительно повысить плотность записи информации и увеличить скорость считывания. Плотность хранения информации ежегодно удваивается.

Магнитные частицы в полимерах и пленках могут быть использованы для создания эффективных нанокомпозитов для записи и хранения информации, что позволяет плотность записи повысить до 50 Гбит/см².

Магнитные свойства ультрадисперсных порошков используются в ферромагнитных жидкостях, применяемых в качестве вакуумных уплотнений, глушителей колебаний и в других областях.

Проводящие материалы и изоляторы. Сочетание высокой электропроводности и прочности необходимо при создании материалов для крупных магнитных систем с большой напряженностью магнитного поля. Проволочные нанокомпозиты типа Си —Nb изготавливают путем совместного холодного волочения медных и ниобиевых прутков. В структуре композита Си —Nb (18 мае. %) поперечный размер ниобиевых волокон составляет около 100 нм; прочность на растяжение достигает 1,25 МПа, а электропроводность составляет около 70% от электропроводности чистой меди. По рабочим параметрам нанокомпозиционные провода признаны одними из лучших в мире. Электроконтактные порошковые материалы, широко применяются в реле, выключателях, пускателях, контакторах и т. п. Они обладают малым удельным и контактным сопротивлением, незначительной эрозией, механической прочностью и химической инертностью, высокой теплопроводностью и т. д. Материалы с металлическими наночастицами применяются для изготовления нагревателей, уплотнителей, в измерительной технике, при производстве кабелей, экранов, в медицинских приборах и инструментах. Существенное увеличение электропроводности полимерных материалов достигается при добавлении углеродных нанотрубок.

Эмиттеры, транзисторы, выключатели. Наиболее перспективной областью использования нанотрубок является электроника. На рис. 4.3.3 показана схема нолевого эмиттера из нанотрубок. Напряженность электрического ноля в районе головки нанотрубки намного выше общей средней напряженности, при этом плотность тока эмиссии достигает 0,1 мА/см²), а при малом напряжении питания.

Рис. 4.3.3. Схема полевого эмиттера па основе углеродных нанотрубок [14]:

/ — пленка, состоящая из трубок, расположенных перпендикулярно подложке; 2 — изоляция; 3 — сетка; 4 — анод

Углеродные нанотрубки обладают высокими эмиссионными свойствами, могут быть использованы для разработки электронных приборов с холодными катодами (электронные дисплеи, источники рентгеновского излучения, катодолюминесцентные источники света и др.), которые обладают низким напряжением питания и потребляемой мощности, а также миниатюрностью и малой массой.

На основе углеродных трубок изготавливают элементы элекгронных схем, таких как диоды, транзисторы и г. д. Схема одноэлекгронного молекулярного транзистора показана на рис. 4.3.4.

Рис. 4.3.4. Схема молекулярного одноэлектронного транзистора:

1 — пленка; 2 —кластер; 3 —управляющий электрод;4 — игла сканирующего

туннельного микроскопа

Плотность наноэлементов в электронных схемах может быть более 10^ь на 1 см², а быстродействие — свыше 10¹² операций в 1 с.

Это позволяет электронике от микроразмеров переходить к наноразмсрам. Если удастся собирать электронные схемы из отдельных молекул, соединенных проводами из углеродных нанотрубок, то возможно создание устройств памяти с плотностью записи в миллион раз (!) выше, чем у соврсменных устройств. При этом потребляемая мощность снизится в миллиарды раз (!).

Ядсрнме материалы. Пористый бериллий может быть использован в качестве отражателя и размножителя нейтронов в термоядерных реакторах.

Для повышения прочности таких изделий и формирования микроячеистой структуры с полностью открытыми порами к обычному крупнокристаллическому порошку бериллия добавляется ВеЬЬ, разложение которого за счет образования наночастиц бериллия способствует укреплению контактов между частицами, а выделение водорода — образованию открытых пор.

Благодаря обилию поверхностей раздела, как путей для выхода продуктов облучения нанокристаллическая структура может оказаться полезной и при создании малораспухасмых оболочечных и топливных материалов для тепловыделяющих элементов высокопоточных быстрых и тепловых атомных реакторов.