Нанокомпозитные материалы и их метафизические свойства

Нанокомпозитные материалы и их метафизические свойства

Нанокомпозитные материалы и их метафизические свойства

нанокомпозитный метафизический метаматериал

Введение

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Целью данной работы было рассмотрение нанокомпозитных материалов, их метафизических свойств и практическое применение.

Задачами курсовой работы являются:

.        рассмотрение общих закономерностей строения композитных наноматериалов;

.        рассмотрение необычных оптических свойств наноматериалов;

.        рассмотрение практического применения метаматериалов.

1. Общие закономерности строения композитных наноматериалов

Новый класс композиционных материалов, так называемые нанокомпозиты, появился относительно недавно. Структура композитных наноматериалов характеризуется наличием второй фазы, размеры частиц которой составляют несколько (1-100) нанометров.

Основные структурные параметры наночастиц - их форма и размер. Физические, электронные и фотофизические свойства наночастиц и кластеров, определяемые их чрезвычайно высокой удельной поверхностью (отношением поверхности к объему), значительно отличаются от свойств как блочного материала, так и индивидуальных атомов. Например, если размер кристалла золота уменьшается до 5 нм, температура плавления снижается на несколько сотен градусов. Свойства конечного нанокомпозиционного материала зависят от природы взаимодействия между фазами и строения межфазных областей, объемная доля которых чрезвычайно велика.

В навстоящее время наиболее широко используются следующие виды наноразмерных наполнителей композитных наноматериалов:

Углеродные нанотрубки и нановолокна, включая простые, двойные и многостеночные нанотрубки; простые и графитизированные нановолокна и вискерсы, а также нанотрубки с привитыми слоями и функциональными группами.

На рынке представлены различные виды относительно длинных (5-30 мкм), обычно - взаимопереплетенных, нанотрубок и нановолокон (диаметром 1-20 нм), а также короткие легко диспергируемые в различных средах нанотрубки и нановолокна длиной 0,5-2 мкм и диаметром 20-50 нм.

Рис. Металлические, оксидные и гидроксидные нанотрубки

Наиболее распространенными видами подобных нанонаполнителецй являются следующие: B₄C, BN, LaF₃, SiC, TiS₂, MoS₂, ZrS₂. Длина нангтрубок этого типа составляет от 3 до 30 мкм, внешний диаметр 25-100 нм, внутренний диаметр 10-80 нм. Кроме того, на рынке представлены нанотрубкиследующих оксидов и гидроксидов металлов: Y₂O₃, MgO, TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, BaTiO₃, SrTiO₃, K₂Ti₆O₁₃, CaSnO₃, BaSnO₃,CuO, La₂O₃ , Ni(OH)₂ и др, имеющие длину 0,2 -20 мкм, внешний диаметр 40-200 нм, внутренний диаметр 15-150 нм.

Короткие нановолокна и наностержни

В том числе металлические (Ag, Bi, In, Si), полупроводниковые (GaP, InP), нитридные (Si₃N₄) и оксидные (TiO₂).

Включая частицы металлов и сплавов (Ag, Au, Pt, Pd, Al, Cr, Cu, W, Mo, Ni, Fe, Cu-Zn, Fe-Ni, W-Cu, W-Mn-Al,W-Ni-Cu, W-Ni-Fe), неметаллов (B, Si), частицы наноалмаза и нанографита (С), нитридов (AlN, BN, CrN, Si₃N₄, TiN, ZrN), карбидов (B₄C, Mo₂C, SiC, TiC), боридов (TiB₂, NbB₂), различных простых и сложных оксидов, а также сложных компаундов типа Si₃(C_0.5N_0.5)₄, TiC_1-xN_x. Размер частиц варьируется в пределах от 15-30 до 400-600 нм.

Геометрическая форма наноразмерных частиц наполнителя моржет быть самой разнообразной. Термины, описывающие эту форму появляются в литературе спонтанно и, в настоящий момент, общепринятыми можно считать только термины «протяженные» и «короткие» нановолокна и нанотрубки и «наносферы». Другие определения формы, такие как «нанозвездочки», «нанорифы», «наноящики» и.т.д. - носят субъективный описательный характер. Большинство наноразмерных наполнителей - состоят из неорганических наночастиц (оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т.д.). Они входят в состав различных нанокомпозитов независимо от природы материала матрицы. Несовместимость компонентов композита представляет собой основную проблему, которую приходится преодолевать при создании композитных материалов, однако в случае нанокомпозитов эта проблема стоит не так остро, в силу особых свойств поверхности наноразмерных частиц наполнителя и высокой поверхностной энегрии нанонаполненных композиционных систем, что приводит к значительно более интенсивному взаимодействию компонентов при формировании структуры композита. Тем не менее, при получении композитных наноматериалов - чрезвычайно важно контролировать в них степень диспрегирования частиц наполнителя.

В зависимости от содержания наноразмерных частиц наполнителя, можно рассмотреть три группы нанокомпозитов. К первой - относятся композиционные материалы, армированные за счет введения в их состав нановолокон (вискерсов); содержание наполнителя в таких материалах составляет 10-40 масс.% и они, по содержанию наполнителя, аналогичны традиционным композитам армированным волокнами. Впрочем, эффект цпрочнения в них достигается не только за счет армирования волокнами, но и блоагодаря влиянию наноразмерных частиц наполнителя на структуру и свойства материала матрицы. Подобные материалы относятся к воторой группе нанокомпозитов, которые называют дисперсно-упрочненными или наноструктурированными. При этом эффект упрочнения достигается даже при очень низких содержаниях наночастиц наполнителя (1-5 масс.%), более того, композит приобретает совершенно новые функциональные свойства. Введение таких количеств наноразмерного наполнителя оказывается достаточным, чтобы существенно изменить такие важные физические свойства, как каталитическая активность в химических реакциях, магнитные и электромагнитные свойства. Ограниченный круг материалов, разработка которых пока еще не вышла за лабораторные рамки, не позволяет привести сведения о практических путях их получения.

В группу дисперсно-упрочненных композизитов входят, главным образом, материалы на основе металлических матриц (алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы), где в качестве дисперсных частиц выступают окислы. В случае использования нанодисперсных частиц сферической формы, анизотропии свойств в получаемых материалах практически не возникает. Однако, в материалах, структурированных за счет введения чешуйчатых или волокнистых нанокристаллов, анизотропия свойства является неотъемлимой характеристикой, поскольку традиционные технологические приемы формования композициолнных изделий (горячее прессование, экструзия, шликерное литье под давлением)неизбежно приводят к ориентации частиц наполнителя, имеющих вытянутую форму.

Увеличение механических свойств в дисперсно-упрочненных материалах может быть связано с двумя эффектами. Во-первых, интенсивное взаимодействие частиц наноразмерного наполнителя с материалом матрицы стимулирует в расплаве возникновение значительно большего числа центров кристаллизации (зародышей кристаллизации), что, в конечном итоге, приводит к формированию материала со значительно более высокой  степенью кристалличности (в случае полимеров) или же к образованию металла, имеющего значительно более мелкокристаллическую структуру. Последнее, как известно, способствует более высокой механиченской прочности материала. Во вторых, вытянутый характер наночастиц, имеющих чешуйчатую и волокнистую форму, приводит к возникновению в материале, твердеющем при охлаждении, ассиметричных полей напряжений (см. Рис.).

Рис.

Распределение механических напряжений в пространстве вокруг тактоида присутствие которых приводит к образованию в структуре матрицы ориентированных кластеров, сиботаксических групп и, в случае полимерматричныхз нанокомпозитов - ориентированных кристаллических группировок макромолекул.

Основной механизм упрочняющего действия в таких композиционных материалах связан с повышением сопротивляемости матрицы деформациям под действием нагрузок. Величина возрастания прочностных характеристик относительно невелика. Однако большую ценность этим материалам придает их способность работать при повышенных (по сравнению с чистыми металлами и полимерами) рабочих температурах, превышающих половину абсолютной температуры плавления или фазового превращения.

Некоторые из таких композиционных материалов обладают интересными свойствами. Так, композиционный материал на основе меди и окиси бериллия сохраняет более 80% электрической проводимости при комнатной температуре даже после 2000 ч выдержки при 850^оС, будучи при этом более прочным, чем медь и ряд ее сплавов. При восстановлении окиси никеля, содержащего дисперсную двуокись тория (3%), получается материал, известный под названием TD-никель, который обладает значительно более высокой длительной прочностью при температуре 1090^оС по сравнению со сверхпрочными сплавами никеля (инконель и хастеллой).

Рис. Композиционные материалы - изотропный и ориентированный

Заметим, в 80-х годах начали получать и молекулярные композиты, в которых сегменты из жестких цепей в принципе не могут образовать отдельную фазу.

2.Метаматериалы

Метаматериалами, принято называть композитные материалы, в силу своих структурных особенностей проявляющие свойства, не характерные для природных материалов. В качестве характерных свойств метаматериалов принято рассматривать:

·        отрицательные значения электрической и магнитной проницаемости;

·        отрицательный коэффициент преломления;

·        сильные киральные свойства и др.

Весьма важно различать понятия метаматериалов и фотонных кристаллов: в метаматериалах, в отличие от фотонных кристаллов, размер включений или, как их называют, "мета-атомов" и расстояние между ними должны быть существенно меньше длины волны.

Науке давно известны материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью - это любые металлы, при частотах несколько превышающих плазменную частоту. В этих условиях отрицательное значение электрической проницаемости (ε < 0) обусловлено тем, что свободные электроны в металле экранируют металл от внешнего электромагнитного поля. Однако материалов с отрицательной магнитной проницаемостью (µ < 0) на оптических частотах в природе не существует.

Соответствующие явления на границе раздела с гиротропной средой были рассмотрены также в известной монографии В.Н. Аграновича и В.Л. Гинзбурга, вышедшей в 1965 г. В 1967 г. сотрудник ФИАН В.Г. Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления (УФН, 1967, т. 92, с. 517). Он убедительно доказал, что они будут обладать совершенно иными свойствами, в частности отрицательным преломлением электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред, аномальными эффектами Допплера и Вавилова-Черенкова. Широкую известность получили эксперименты с так называемой "линзой Веселаго". В 1999 году английский ученый Д. Пендри (Pendry J.) получил отрицательную магнитную проницаемость, используя электропроводящее кольцо с зазором. Само кольцо представляло собой виток проводника, обладающий собственной индуктивностью, зазор же обладал свойствами конденсатора, обладающего некоторой ёмкостью, что в совокупности образовывало простейший колебательный контур.

Сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН А.Н. Лагарьков и В.Н. Кисель в своём докладе, в частности, сообщили о проведённых ими исследованиях композитов с различными резонансными включениями, позволяющими получить резонансные характеристики, при которых в определённых диапазонах обеспечиваются требуемые характеристики метаматериала. Докладчики подробно изложили свой взгляд на возможности компенсации потерь в метаматериалах.

Перспективными являются направления исследований, такие как поглощение энергии всенаправленного источника и беспроводная передача энергии в системах с метаматериалом. Использование метаматериалов открывает новые возможности для разработки различных СВЧ- и оптических устройств. В этот список входят фокусирующие системы, нанолазеры, поглотители, резонаторы и многие другие устройства. Разработка новых электромагнитных материалов с элементарной ячейкой, обладающей заранее заданными свойствами, не всегда встречающимися в природе, - это новое направление в технологиях, сулящее огромные перспективы.

Комментируя событие, главный научный сотрудник Сектора теории взаимодействия излучения с веществом ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Климов сообщил: "Данный доклад представляет знаменательное явление в научной жизни ФИАН. Авторы убедительно показали важность, актуальность и, самое главное, - практическую реализуемость многих идей, которые ранее казались фантастическими. Чрезвычайно важно и то, что экспериментальные работы по проверке уникальных свойств метаматериалов проводились в России. Это говорит о том, что российская наука занимает одну из лидирующих позиций в области метаматериалов и их применений. Еще одним важным аспектом данного семинара является то, что он, несомненно, активизирует исследования в этой области в ФИАНе. Сейчас в ФИАНе исследованием метаматериалов занимается группа по нанооптике и наноплазмонике с привлечением нескольких студентов и аспирантов. Сразу после семинара несколько ученых высказали интерес к работе в этом направлении надеемся, что в скором времени число публикаций от ФИАН в этой области существенно возрастет. Наличие такого научного ядра станет важным фактором в развертывании сколковского проекта "Квантовые метаматериалы" на базе ФИАН".

2.1 Основы эффекта

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

(1)

где  - волновой вектор,  - частота волны,  - скорость света,

- квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

2.2 Правые» и «Левые» изотропные среды

Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла. Для сред у которых  диэлектрическая и  магнитная восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля - электрический  и магнитный  и волновой  образуют систему т. н. правых векторов:

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых , - одновременно отрицательные ,  , называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный  и волновой  вектора образуют систему левых векторов.

В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Рис.

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны

Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен  , а у другой - отрицателен .

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга  , который равен . Вектор всегда образует с векторами  и, правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых - в разные. Так как вектор  совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.

2.4 Дисперсия левой среды

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно , то энергия волны будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии  и .

2.5 Примеры распространения волны в левой среде

Двояковыпуклая линза, сделанная из материала с отрицательным показателем преломления, расфокусирует свет, а двояковогнутая - фокусирует.(рис1)

Плоскопараллельная пластина из материала с отрицательным показателем преломления работает как фокусирующая линза. Красная точка изображает источник света.(рис2)

Отражение луча, распространяющегося в среде с , от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину  , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглащающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.(рис3)

Построенная из метаматериала с удивительными оптическими свойствами, суперлинза может создавать изображения с деталями меньше длины волны используемого света.

Заключение

Метаматериалы - это новое понятие, обозначающее материал, структура которого определенным образом упорядочена для того, чтобы взаимодействовать с электромагнитным излучением. Создавая на поверхности правильные ряды микроскопических столбиков или выстраивая сложным образом переплетенную трехмерную сеть из пластин металла, можно добиться того, что такой материал поведет себя как линза, будучи при этом совершенно плоским. Тем самым удается преодолеть классический дифракционный предел разрешения для оптических линзовых систем, который долгое время казался непреодолимым даже теоретически! Также метаматериалы могут проявить еще более необычные свойства - вплоть до того, что укрытый метаматериалом объект может стать невидимым (правда, пока что это только теория: полноценного «плаща-невидимки» в скором времени ждать не приходится).

При помощи метаматериалов становится возможным создание устройств с такими характеристиками, которые долгое время казались просто недостижимыми, например наноскопов, аналогов микроскопов, но с разрешением в несколько нанометров; нанокомпонент для оптических компьютеров. В ближайшем будущем метаматериалы будут применяться, например, для создания компактных антенн мобильных телефонов, для дистанционного обнаружения оружия под одеждой, наконец, в медицинской технике для улучшения чувствительности томографов и создания нового поколения аппаратуры, позволяющей производить трехмерное сканирование тела при помощи терагерцового излучения, тем самым не нанося вреда тканям в отличие от рентгеновских аппаратов.

За метаматериалами - будущее науки.

Список литературы

.В. Г. Веселаго, ФТТ 8, 3571 (1966).

.В. Г. Ηеселаго, Н. В. Г л у ш к о в, А. М. П ρ ο χ ο ρ о в, Радиотехника≫и электроника (1967)

.http://www.slideshare.net/nanoweek/ss-9392067

.http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1153

.http://www.mtomd.info/archives/1764

.http://nano-edu.ulsu.ru/