Номер 2, страница 176 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

2. Какие материалы называются наноматериалами? По каким признакам они классифицируются? Как их называют?

Какие материалы называются наноматериалами?

Наноматериалами называют материалы, у которых хотя бы один из линейных размеров или внутренняя структура находится в нанодиапазоне, то есть от 1 до 100 нанометров ($1 \text{ нм} = 10^{-9} \text{ м}$). Ключевой особенностью наноматериалов является то, что при таких размерах их физические, химические и механические свойства (например, оптические, электрические, каталитические) могут кардинально отличаться от свойств тех же веществ в макроскопическом (объемном) состоянии. Эти отличия обусловлены двумя основными факторами. Во-первых, это квантовые эффекты: когда размеры объекта становятся сопоставимы с длиной волны де Бройля для электронов, начинают проявляться законы квантовой механики, изменяя энергетические уровни и, как следствие, свойства материала. Во-вторых, это эффекты поверхности: у нанообъектов очень велико отношение площади поверхности к объему. Большое количество атомов находится на поверхности или вблизи нее, что значительно повышает их реакционную способность и влияет на другие поверхностно-зависимые свойства.

Ответ: Наноматериалы — это материалы, имеющие как минимум один характерный размер в диапазоне 1-100 нм, чьи свойства из-за этого малого размера существенно отличаются от свойств в объемном состоянии.

По каким признакам они классифицируются?

Наноматериалы классифицируют по нескольким основным признакам. Самый важный и распространенный признак — это размерность. Он описывает, сколько измерений (из трех пространственных) объекта выходит за пределы наноразмерного диапазона. По этому признаку выделяют нульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D) и трехмерные (3D) наноматериалы. Другими важными признаками для классификации являются:

- Химический состав: углеродные (графен, нанотрубки), металлические (наночастицы золота, серебра), полупроводниковые (квантовые точки), керамические, полимерные и др.

- Происхождение: природные (образующиеся в ходе геологических или биологических процессов) и искусственные (созданные человеком в лаборатории или на производстве).

- Структура: кристаллические, аморфные, композитные.

Ответ: Наноматериалы классифицируются по нескольким признакам, главный из которых — их размерность (0D, 1D, 2D, 3D). Также их разделяют по химическому составу, происхождению и внутренней структуре.

Как их называют?

В соответствии с классификацией по размерности, наноматериалы и соответствующие им структуры называют следующим образом:

Нульмерные (0D) наноматериалы: все три измерения находятся в нанодиапазоне ($L_x, L_y, L_z < 100 \text{ нм}$). Это изолированные нанообъекты, которые часто называют наночастицами. К этой группе также относят квантовые точки, нанокластеры и молекулы, такие как фуллерены.

Одномерные (1D) наноматериалы: два измерения находятся в нанодиапазоне, а третье — значительно больше ($L_x, L_y < 100 \text{ нм}; L_z \gg 100 \text{ нм}$). Это вытянутые нитевидные структуры. Их называют нанотрубками, нанопроволоками, нановолокнами и наностержнями.

Двумерные (2D) наноматериалы: одно измерение находится в нанодиапазоне, а два других — значительно больше ($L_z < 100 \text{ нм}; L_x, L_y \gg 100 \text{ нм}$). Это листовые или пленочные структуры. Их называют нанопленками, нанопокрытиями, нанолистами. Самым известным примером является графен — моноатомный слой углерода.

Трехмерные (3D) наноматериалы (объемные): ни одно из внешних измерений не находится в нанодиапазоне, но их внутренняя структура является наноразмерной. Это могут быть материалы, состоящие из спрессованных 0D, 1D или 2D наноструктур. Их называют наноструктурированными материалами, нанокомпозитами (когда наночастицы внедрены в матрицу другого материала), нанопористыми материалами или поликристаллами с наноразмерными зернами.

Ответ: В зависимости от размерности их называют наночастицами или квантовыми точками (0D), нанотрубками или нанопроволоками (1D), нанопленками или графеном (2D), а также объемными наноструктурированными материалами или нанокомпозитами (3D).