Наноматериалы представляют собой вещества с размерами структурных элементов в диапазоне 1–100 нм, обладающие уникальными физико-химическими свойствами, отличающимися от свойств тех же материалов в макроскопическом состоянии. На наноуровне проявляются эффекты квантовой механики, значительно влияющие на оптические, электрические и магнитные характеристики. Основными типами наноматериалов являются наночастицы, нанопленки, нанопроволоки, нанокомпозиты и пористые наноструктуры.
Ключевые свойства наноматериалов:
Синтез наноматериалов разделяют на топ-даун и ботом-ап подходы.
Топ-даун методы основаны на разрушении макроскопического материала до нанометровых размеров:
Эти методы характеризуются высокой скоростью получения материала, однако ограниченной контролируемостью морфологии и дефектной структуры.
Ботом-ап методы строят наноструктуры из атомов или молекул:
Оптические свойства. Квантовые точки демонстрируют размерно-зависимую фотолюминесценцию: уменьшение размера кристаллов приводит к сдвигу спектра излучения в коротковолновую область. Нанопленки металлов проявляют локализованный плазмонный резонанс, что используется в сенсорах и фотонике.
Электрические свойства. Уменьшение размеров частиц в полупроводниках увеличивает разрыв зоны запрещенных состояний и изменяет проводимость. Нанопроволоки и углеродные нанотрубки демонстрируют анизотропные электрические характеристики, позволяющие создавать высокоэффективные микро- и наноэлектронные устройства.
Механические свойства. Наноструктурированные металлы и керамики показывают значительное увеличение твердости и прочности за счет уменьшения размера зерен и подавления движения дислокаций. Пористые наноматериалы обладают высокой прочностью при низкой плотности, что делает их перспективными для авиационно-космических и строительных применений.
Химическая активность. Высокая удельная поверхность и большое количество атомов на границах зерен увеличивают каталитическую активность наночастиц металлов и оксидов. Это активно используется в катализе, сенсорике и экологических технологиях.
Эффективное использование наноматериалов невозможно без тщательного контроля их морфологии и свойств. Основные методы исследования включают:
Разработка новых методов синтеза, управление дефектной структурой и функционализация поверхности открывают возможности создания материалов с запрограммированными свойствами. Особое внимание уделяется биоразлагаемым и экологически безопасным наноматериалам, а также гибридным системам, объединяющим органические и неорганические компоненты. Контролируемое формирование наноструктур позволяет создавать материалы с заданной электропроводностью, оптическими и механическими характеристиками, открывая перспективы для микро- и наноэлектроники, медицины и энергоэффективных технологий.