Нанокомпозиты представляют собой материалы, состоящие из матрицы и дисперсной фазы с размерами частиц в нанометровом диапазоне (1–100 нм). В основе их уникальных свойств лежит высокая удельная поверхность нанофаз, что приводит к существенному усилению взаимодействия между компонентами. Основные типы матриц: полимерные, керамические и металлические, однако наибольшее применение получили полимерные нанокомпозиты.
Дисперсная фаза может иметь форму частиц (наночастицы, нанокристаллы), волокон (нанотрубки, нанонити) или слоёв (наноплёнки, глинистые минералы). Классификация нанокомпозитов проводится по типу дисперсной фазы и структуре:
Синтез нанокомпозитов включает несколько основных подходов:
Модификация поверхности нанофаз является ключевым этапом для улучшения совместимости с матрицей. Чаще всего применяются органические функциональные группы, сшивающие нанофазу с полимерной матрицей, что препятствует агломерации и повышает механическую прочность.
Механические свойства: нанокомпозиты демонстрируют значительное повышение прочности и модуля упругости даже при низком содержании нанофазы (1–5 мас. %). Наночастицы ограничивают движение макромолекул матрицы, снижая пластическую деформацию. Нановолокнистые включения обеспечивают направленное усиление, особенно по оси ориентации волокон.
Термическая и химическая стабильность: нанофазы создают эффект барьера для диффузии газов и тепла. Нанослоистые структуры, например, слоистые глины, увеличивают термостойкость полимеров и замедляют процессы окисления.
Оптические свойства: размер наночастиц сравним с длиной волны света, что позволяет управлять прозрачностью, цветом и люминесценцией. Используются наночастицы диоксида титана, серебра или золота для создания фотокаталитических и антибактериальных свойств.
Электрические и магнитные свойства: внедрение проводящих или ферромагнитных наночастиц позволяет создавать полимеры с управляемой проводимостью, магнитными откликами и потенциалом для электроники и сенсорики.
Нанофаза в полимерной матрице может формировать несколько типов структурных взаимодействий:
Размер и форма нанофазы определяют степень микрофазного разделения и структурной гомогенности, влияя на механические, термические и барьерные свойства.
Автомобилестроение: усиленные полимерные панели и элементы интерьера с повышенной термостойкостью и ударной вязкостью.
Электроника: гибкие полимерные проводники и сенсорные материалы на основе наноуглеродных включений (графен, углеродные нанотрубки).
Медицина и биотехнологии: нанокомпозиты на основе биополимеров с антибактериальными наночастицами для имплантатов и лекарственных систем.
Энергетика: мембраны для топливных элементов и солнечных батарей с контролируемой проницаемостью и электрической проводимостью.
Упаковка и барьерные материалы: нанослоистые полимеры, снижающие проницаемость газов и влаги, увеличивая срок хранения продуктов.
Основное направление — создание функционализированных нанокомпозитов с заранее заданными свойствами за счёт контроля морфологии, ориентации нанофазы и химических модификаций. Комбинированные подходы, включая многослойные и гибридные структуры, открывают возможности для материалов с комплексной функциональностью: механической прочностью, барьерными свойствами, электропроводностью и биосовместимостью одновременно.
Контроль за размером, распределением и химической природой нанофазы становится ключевым фактором при проектировании высокоэффективных нанокомпозитов нового поколения.