Нанокомпозиты представляют собой многокомпонентные материалы, в которых один из компонентов имеет размер частиц в нанодиапазоне (1–100 нм). Отличительной особенностью является наличие интерфейса между матрицей и нанофазой, который существенно влияет на физико-химические свойства системы. Матрица может быть полимерной, металлической или керамической, тогда как нанофаза включает наночастицы, нанотрубки, нанопроволоки, графеновые фрагменты или кластерные структуры.
Структура нанокомпозита определяется распределением нанофазы, степенью её агрегации, ориентацией частиц и характером межфазного взаимодействия. Важнейшими характеристиками являются:
Механические свойства. Нанокомпозиты демонстрируют значительное повышение прочности и жёсткости по сравнению с исходной матрицей. Причина — эффект армирования за счёт нанофазы, которая ограничивает подвижность молекул матрицы и распределяет механическое напряжение. Например, введение нанотрубок в полимерные матрицы может увеличить модуль упругости в 2–5 раз при относительно низкой концентрации наполнителя (1–5 % по массе).
Термические свойства. Нанокомпозиты обладают улучшенной термостабильностью и теплопроводностью. Наночастицы металлов или углеродных наноструктур создают теплопроводные мостики, уменьшающие локальное перегревание матрицы. Одновременно интерфейсная зона влияет на тепловое расширение материала, что позволяет снижать коэффициент линейного расширения.
Электрические и оптические свойства. Добавление наночастиц металлов, полупроводников или графена позволяет получать проводящие или полупроводниковые композиты. Электропроводность проявляется уже при низких концентрациях благодаря формированию перколяционной сети. Оптически активные наночастицы, например серебро или золото, вызывают локальное плазмонное резонансное усиление, что применяется в сенсорике и фотонных устройствах.
Химическая устойчивость. Нанофаза может выступать как барьер против химических атак, улучшая коррозионную и окислительную стойкость матрицы. Полимерные нанокомпозиты с оксидными наночастицами проявляют устойчивость к ультрафиолетовому излучению и агрессивным растворителям.
Сол-гель технология. Позволяет формировать керамические нанокомпозиты с высокой однородностью распределения наночастиц в матрице. Преимущество — возможность регулировать размер частиц на стадии гелеобразования.
Ин-ситу синтез. Наночастицы образуются непосредственно в матрице, что обеспечивает сильное межфазное взаимодействие и предотвращает агрегацию.
Физическое смешивание и экструзия. Применяется для полимерных матриц. Механическое распределение наночастиц требует контролируемой вязкости и температуры для предотвращения разрушения нанофазы.
Химическое осаждение и инкапсуляция. Используется для создания металлических и полупроводниковых нанокомпозитов, обеспечивая высокую однородность и стабильность наночастиц.
Размер наночастиц определяет степень эффекта армирования, теплопроводность и оптическую активность. С уменьшением размера увеличивается удельная поверхность, что усиливает интерфейсное взаимодействие. Формы частиц (сферические, пластинчатые, трубчатые) определяют анизотропию свойств: например, нанопластины усиливают барьерные свойства, а нанотрубки — механическую прочность и электрическую проводимость вдоль оси ориентации.
Ключевым фактором является химическая и физическая связь между матрицей и нанофазой. Поверхностные модификаторы, функциональные группы и полимерные адгезивы улучшают совместимость, предотвращают агрегацию и повышают эффективность передачи механических и тепловых нагрузок. Межфазная зона может достигать нескольких нанометров, влияя на локальную мобильность молекул и распределение напряжений.
Нанокомпозиты характеризуются повышенной энтропией интерфейсной зоны и изменённой кинетикой диффузионных процессов. Уменьшение размера частиц увеличивает химический потенциал, что способствует ускоренному взаимодействию с матрицей и внешними реагентами. Термодинамическая стабильность системы определяется балансом между поверхностной энергией нанофазы и межфазными взаимодействиями.
Разработка многофункциональных нанокомпозитов с управляемой анизотропией, активными интерфейсными зонами и адаптивными свойствами открывает возможности создания интеллектуальных материалов. Управление структурой на наномасштабе позволяет сочетать механическую прочность, функциональность и химическую устойчивость в одной системе, создавая материалы для самых требовательных инженерных и биомедицинских задач.