Введение

Нанотехнология в инженерии поверхности

К поверхностным явлениям, лежащим в основе понимания инженерии поверхности, относятся: адгезия, когезия, смачивание, конденсация, смазочное и моющее действия, трение, изнашивание, пропитка пористых тел и т.п. [1]. Поверхностные явления влияют на прочность твердых тел, износ, коррозию, тепло- и массообмен. На использовании поверхностных явлений основаны такие технологические процессы, как химический синтез с применением гетерогенного катализа, поверхностное разделение веществ, механическая обработка и упрочнение материалов, фильтрация, приготовление порошков, эмульсий, пен, аэрозолей и др.

Поверхностный слой является квазидвумерной системой, в которой происходят специфические структурные фазовые переходы, отражающиеся в изменении таких физико-химических свойств по­верхности, как:

ü электронные свойства, отличающиеся от объемных, в частности, наличием электронных по­верхностных состояний. Поверхностный слой может иметь проводимость, значительно превышаю­щую объемную;

ü влияние поверхности на волновые процессы сказывается через особое поведение волн разной природы - возникают упругие, капиллярные, электромагнитные поверхностные волны, амплитуда которых убывает при удалении от поверхно­сти в глубь материала, а скорость направлена вдоль поверхности;

ü амплитуда тепловых колебаний поверхностных атомов на границе твердое тело — вакуум примерно в 1,5...2 раза превышает объемное значение;

ü оптические свойства поверхности (амплитуда, фаза и поляризация падающего, отраженного и преломленного светового потока) определяются тем, что у поверхности образуются связанные со­стояния фотонов с поверхностными оптическими фононами, плазмонами и другими дипольно-активными квазичастицами, называемыми поверх­ностными поляритонами;

ü магнитные свойства поверхности отличаются характеристиками намагниченности поверхностно­го слоя, а также температурой магнитных фазовых переходов от соответствующих свойств объема;

ü массоперенос на поверхности происходит при достаточно низких температурах быстрее, чем в объеме, поскольку энергия активации поверхно­стной диффузии вследствие большей свободы пе­ремещений частиц обычно в 2...5 раз меньше, чем энергия активации объемной диффузии.

Поверхность обладает некоторой избыточной поверхностной энергией, так как ее образование требует разрыва или перестройки связей между ато­мами или молекулами в конденсированной среде [1]. Работа образования единицы площади поверх­ности равна удельной поверхностной свободной энергии (поверхностному натяжению). Уменьше­ние поверхностной свободной энергии служит движущей силой упомянутых выше поверхностных явлений - адсорбции, смачивания, растекания, адгезии и когезии, капиллярных и других явлений.

Геометрические размеры нанометрового диапазона определяют свойства материала в результате влияния характеристик поверхности, а с размеров 10...100 нм поверхностные свойства начинают до­минировать над объемными. Это делает возмож­ным изменение структурных и размерных пара­метров (толщины пленок, размеров зерен, структу­ры границ раздела и т.п.) в широких пределах ме­нять энергетические характеристики создаваемой системы и получать необходимую комбинацию ме­ханических, электрофизических, оптических и многих других свойств [2].

Поэтому инженерия поверхности, как целена­правленное управление свойствами поверхностно­го слоя, все шире использует различные методы нанотехнологии и наноструктурированные материалы.