Sərbəst İş Fənn : Nanotexnologiya Müəllim

Elm və texnikada nanohissəciklər

Son zamanlar nanomateriallar mühəndislərin ciddi diqqət mərkəzindədir. Bu onların çox saylı sahələrdə istifadə edilməsinin potensial mümkünlüyünün miqdarı ilə şərtləndirilir. Bunlardan elektronika, kataliz, keramika, informasiyanın maqnit saxlanması, struktur komponentləri və s. sahələri göstərmək olar. Yuxarıdakı sahələrdə qeyd edilən texnoloji tələbatları qane etməkdən ötrü materialın ölçülərini nanometr miqyasında kiçildmək vacibdir. Məsələn, funksional elektron qurğuların miniatürləşdirilməsi hamar müstəvilərin və yaxud nanometr miqyasında komponentlər qrupunun yaradılması ilə müşayiət edilir. Bu ölçüyə görə maddənin (material) ölçüsü nanometr miqyasına qədər kiçilir, material qeyri-adi maraqlı mexaniki və fiziki xüsusiyyətlər əldə edir: mexaniki möhkəmlik çoxalır, xüsusi istilik tutumu və elektrik müqaviməti artır, diffuziya xassəsi yüksəlir və s.

Nanohissəciklərin vacib xassələrindən biri səthin həcmə yüksək baxış nisbətidir ki, bu da atomların əsas hissəsinin səthdə yerləşməsini göstərir. Səth atomları daha yüksək energetik xassəyə malikdir, onlar daha reaktivdir və adsorbsiya halını təyin edirlər. Səthin həcmə böyük baxımdan nisbətinin ultra kiçik ölçüsünün forma effekti tez-tez ona gətirib çıxarır ki, nanohissəciyin xüsusiyyəti materialın həcmi xüsusiyyətindən yüksək olur. Nanohissəciyin qaz və yaxud maye halından formalaşması üç fundamental mərhələni birləşdirir: əmələ gəlimə, koalessensiya və böyümə. Atomlar və yaxud molekullar müəyyən qatılığa çatdıqda, onlar homogen əmələ gəlmə yolu ilə kiçik klasterlərə aqreqasiya edirlər. Zamanın getməsi ilə klasterlər koalesessensiyaya və böyük toplanma ansamblı halında sonrakı böyümə ənənəsinə malikdirlər. Birinci başlanğıcda nanohissəciklər kub və yaxud heksaqonal sıx yerləşdirilmiş quruluşa malik klaster atomları ilə tam doldurulmuş halda qurulur. Belə klasterlər 12 atomdan ibarət mərkəzi atom buludunun birinci pərdəsi ətrafında, ikinci – 42 və üçüncü 92 atomlardan və s. qurula bilər. n-pərdədə atomların sayı (10n 2 + 2)-ə bərabərdir (cədvəl 4.1). Koordinasiya ədədi (k.ə), səth atomlarının yaxın qonşularının sayı, 9 və yaxud az, onda həcmi struktur üçün koordinasiya ədədi 12-yə bərabərdir.
Son on ildə nanohissəcik və buna oxşar digər nanoquruluşların sintezi əsasında fundamental anlayışlarda əsaslı proqreslər edilmişdir. Qaz, maye və bərk hallarda, hətta kombinə edilmiş qaz-maye-bərk cisimdən (cədvəl 4.2) nanohissəciklərin sintezi və kommersiya istehsalı üçün yeni proqressiv istiqamətlər işlənib hazırlanmışdır. Metal və keramik nanohissəciklərin sintezi üçün əksəriyyət hallarda ölçülərinə görə kifayət qədər dar paylanmada təsirsiz qazların buxar fazada kondensləşməsindən istifadə edilir. Materialı qaz halına keçirmək, buxarlandırma, tozlanma və yaxud lazer şüalanması ilə həyata keçirilir.
Nanokristal hissəcik və nanoboru sintezində mümkün texniki istiqamətinin təsnifat:

Müxtəlif materiallardan nanohissəciklərin alınması üsullarına baxaq: nanohissəciklərin alınmasının qismən daha geniş yayılan üsulu buxar fazadan kondensləşmədir. Bu üsul kifayət qədər elastikidir və nanomiqyas səviyyədə quruluşa nəzarət etməklə zərif təbəqə halında materialın hazırlanmasına imkan verir. Buxarın fiziki çökdürülməsi (BFÇ) özündə termiki, katod, ion-şüa buxarlandırması və lazer abliyasiyası (buxarlandırılması) üsulları ilə buxar fazanın əmələ gəlməsini birləşdirir. Maddə buxar halına istilik, elektron və yaxud lazer enerjisinin təsiriilə keçir. Termiki qızdırma çoxkomponentli materiallara qarşı müəyyən məhdudiyyətlərə malikdir. Belə ki, elementar komponentlər buxar fazada müxtəlif güclü elastikliyə malikdir və ona görə də buxar fazaya aşağı elastiklikli elementlərin buxarı keçir. Bu nisbətə fərqlənən səmərəli üsul katod tozlanmasıdır, yüksək ərimə temperaturlu (çətin əriyən material və keramika) materialların tozlanmasına və çökməsinə imkan verir. Bunları termiki buxarlandırma yolu ilə almaq çətindir. Hər halda, təsirsiz qazda ardıcıl soyudulma ilə termiki buxarlandırma ölçülərinə görə dar paylanılmaqla metal və metaloksid nanotozlarının istehsalı üçün daha tez-tez istifadə edilir.
Son on illiklərdə möhkəm keramik örtük metal kəsən və metal emal edən dəzgahların, təzyiq yastıqlarının, daxili yanma mühərriklərinin ayrı-ayrı hissələrin, izolyasiya materiallarının və s. hazırlanması üçün zəruri komponent kimi özünə diqqəti cəlb edir. Keramik örtük hissələrin səthinin möhkəmlik xüsusiyyətinin təmin edir sürtünməyə davamlılığı gücləndirir və bununla da, dəzgahın və yaxud hər hansı alətin iş müddətini artırır.
Sürtünməyə davamlı material örtüyü kimyəvi rabitə xarakterinə görə təsnifləndirilə bilər: metal, kovalent və yaxud ion. Metal möhkəm material – bu boridlər, karbidlər və keçid elementlərinin nitridləridir.
Müxtəlif tozlandırma prosesləri arasında daha yaxşısı ion-şüalandırma üsulu ilə çökdürmədir. Bu üsul yaxşı adgeziyalı və mikro quruluşla nəzarət edilən nanokristal örtüklü nitridlərin effektli istehsalını təmin edir. İon-şüalandırma üsulu ilə enerji və bombardumançı ionlar axınını dəyişmək olar və elə bununla nanodənələrin ölçülərini və kristalloqrafik oriyentirlərini dəyişmək olar. Örtük materialı 40 QPa-dan yuxarı bərkliyə malik olmalıdır. Əsaslı güc elə istiqamətə yönəldilmişdir ki, elastikliyinə, bərkliyinə və möhkəmliyinə görə gözəl xarakteristikalı yüksək bərk örtük alınsın. Formalaşmaya görə əsas konsepsiyalardan biri tələb olunan keyfiyyətdə örtük, laylar arası müxtəlif elastiklik moduluna malik çoxlaylı quruluş və yaxud hədsiz yüksək torun formalaşmasına əsaslanır. Hər bir layın qalınlığı nanometr səviyyədə olmalıdır ki, yerdəyişmə mənbəyi laylara təsir edə bilməsin. Digər ehtimal olunan yaxınlaşma – amorf matrisaya tətbiq edilmiş, dənəcikləri nanometr səviyyəli ölçülü birlaylı nanokompozit örtüklərinə formalaşmasıdır.
Bərk örtüklərin nailiyyətləri ilə bağlı nəticələr, TiN, CrN, VN və ZrN kimi keçid metalların nitridlərindən alınmışdır. Onlar əla kimyəvi və fiziki xüsusiyyətlərə malikdirlər. Məsələn, TiN 500 0C-dən yuxarı olmayan temperaturlarda oksidləşməyə davamlıdır. Daha yüksək temperaturlarda TiN səthində zərif layın formalaşması başlayır. Oksidləşməyə qarşı daha yüksək mühafizəyə sıx və passivləşdirici Cr2O3 layının formalaşması hesabına CrN malikdir, hansı ki, sonrakı onu oksidləşmədən mühafizə edir. Nitrid örtüklərinin əsas alınma üsulu ion-şüalandırma üsulu ilə çökdürülməsidir.
Çoxdan məlumdur ki, nanohissəcik və ağır materialların yaxşı keyfiyyətli xüsusiyyətləri sənayedə istifadə edilir. Misal kimi, aerozolları, rəngləyici piqmentləri, rəngli şüşələrin alınması üçün kolloid metal hissəciklərlə rənglənmiş nümunələr göstərilə bilər. 30 nm ölçüdə metal nanohissəciklərin suspenziyası (dəmir və onun ərintiləri) iş prosesində bilavasitə daxili yanma mühərriklərində hissələrin reduksiyası üçün motor yağlarında aşqar kimi istifadə edilir. Kiçik hissəciklər müxtəlif aviasiya materiallarının istehsalında istifadə edilir. Məsələn, radiouducu keramik-lərdə, matrisada metal hissəciklər nizamsız paylanır.
Keramik nanomateriallar yüksək temperaturlarda, bircins-li olmayan termiki yüklərdə və aqressiv mühitlərdə işləyən hissələrin hazırlanması üçün geniş istifadə olunur. Belə materiallar yüksək plastikidir ki, yüksək dəqiq ölçülü mürəkkəb konfiqurasiyalı məmulatların alınmasına, məsələn, aerokosmik texnika üçün imkan verir.
Hidroksiapatit əsasında nanokeramika biouyğunlaş-maya və yüksək möhkəmliyinə görə süni oynaqların hazırlanması və stomatologiyada diş protezlərinin hazırlanması üçün ortopedidə istifadə edilir. Hidrotermal sintez nanokeramik oksidlər nanoçubuq-lar halında TiO2, ZrO2, HfO2 almağa imkan verir. Titan, sirkonium, hafnium və onlar əsasında kompozisiyaların dioksidlərinin nanokristallik tozları öz tətbiqlərini katalizatorlarda, qaz sensorlarında, dielektrik keramikada, rənglərdə, bərk elektrolitlərdə, diffuzion maneələr və optiki örtüklərdə tapır.