Materiale Nanocristaline și Amorfe

1.1. Introducere

Studiul nanoştiinţelor şi nanotehnologiilor se referă la un domeniu de cercetare

fundamentală şi fundamental-aplicativă bazat pe abordarea pluridisciplinară, din punct de

vedere al fizicii, chimiei, biologiei, matematicii şi mecanicii. Coborarea la nivelul profund,

nanometric, al materiei, în interacţiunea dintre substanţă şi câmp, permite obţinerea unor

materiale cu proprietăţi de excepţie şi realizarea unor componente şi sisteme de mare

complexitate. Revoluţia marcată de această etapă nouă de cunoaştere şi dezvoltare

tehnologică îşi extinde sfera de cuprindere în toate direcţiile ingineresti: electronică, chimie,

metalurgie, mecanică, inclusiv prin abordarea biologică [1].

Pentru o dezvoltare şi o exploatare susţinută a nanoştiinţelor şi nanotehnologiilor au fost

create noi concepte şi iniţiative multidisciplinare într-o serie de domenii specifice, cum ar fi:

(i) fenomenele la scală mesoscopică (care necesită rezoluţii de ordinul mm) sau moleculară au

fost adâncite până la scară micro şi nanoscopică (în felul acesta, termenul de microscopic sau

micrometric a fost înlocuit de nanoscopic sau nanometric) atunci când se urmăreşte descrierea

fenomenelor la nivel reticular, corespunzător nanostructurii, vizibilă sub 100 nm; (ii)

integrarea descoperirilor din cadrul materialelor anorganice, organice şi biologice; (iii)

procesele de nanostructurare superficială (cum ar fi manipularea prin intermediul chimiei

supra-moleculare sau tehnologiile ştiinţei suprafeţei) prin care se construiesc obiecte cu

precizie la scară atomică sau/ şi control al produselor/ serviciilor cu valoare adăugată ridicată

(ex.: suprafeţe inteligente cu funcţii de bio-identificare sau suprafeţe activate pentru procese

de autosterilizare prin fotocataliză).

Scopul principal este fructificarea potenţialului nanotehnologiilor în dezvoltarea de

aplicaţii revoluţionare în care să se regăsească, la nivel industrial, rezultatele cercetărilor

efectuate la nivel de laborator, în domeniul materialelor şi tehnologiei. Rezultatele urmărite se

regăsesc în servicii, produse, componente, dispozitive sisteme şi procese de înaltă

performanţă [2].

Pentru atingerea acestor obiective foarte îndrăzneţe, la nivel mondial au fost create

reţele de cercetare fiind introdus un nou termen pentru această acţiune (networking = lucrul în

reţea). Urmarea firească a acestor acţiuni va fi asigurarea contactului global, astfel încât orice

cercetător să aibe acces, în timpul cel mai scurt, la rezultatele studiilor altor colegi, din lumea

întreagă. Reţeaua care promovează cercetarea nanoştiinţelor şi nanotehnologiilor în Romania

se numeşte ROMNETERA şi este promovată de Institutul de Microtehnologie (IMT) în

cadrul unui proiect finanţat de Comisia Europeană.

Unul dintre obiectivele Uniunii Europene, din punct de vedere al dezvoltării pe termen

scurt şi mediu – pentru a evita crearea unui decalaj faţă de U.S.A. şi Japonia – este

dezvoltarea unor intrumente eficace pentru analiză nanostructurală, cu rezoluţii de ordinul a

10 nm. Instrumentele de studiu, frecvent utilizate în acest scop, sunt microscoapele

electronice (cu baleaj sau prin transmisie) sau microscoapele cu sondă de baleaj (cu forţă

atomică sau cu capacitanţă de baleaj).

Materialele nanocristaline oferă posibilităţi multiple, de înaltă eficacitate, de a controla

proprietăţile structurilor cristaline. Din cauza dimensiunilor reduse, ale acestor reţele

cristaline, care cuprind în general şiruri reticulare de ordinul sutelor de atomi, pe fiecare

direcţie cristalină, materialele nanocristaline sunt mult mai puşin sensibile la efectele

anozotropiei, în conparaţie cu cristalele masive.

Pentru dezvoltarea materialelor nanocristaline se folosesc, în principiu, 2 metode de

bază: 1-formarea de nanoprecipitate prin tratamente termice, metodă care va fi prezentată îân

detaliu în continuare, prezentându-se rezultatele unor cercetări recente efectuate în Germania

şi Japonia şi 2-utilizarea de nanoparticule care se pot „asambla” în diverse sisteme şi structuri

care pot avea funcţii specifice sau pot fi multifuncţionale.

Pentru obţinerea la scară industrială a nanoparticulelor (sub formă de pulberi sau fire, cu

diametre < 100 nm), la costuri acceptabile, trebuiesc însuşite principalele etape legate de: 1.

producere (sinteză din fază gazoasă, procesare sol-gel); 2. funcţionalizare; 3. incapsulare; 4.

mapipulare; 5. stabilizare; 6. transport şi 7. stocare. În toate situaţiile, utilizarea, sub orice

formă, a nanoparticulelor, necesită rezolvarea problemelor legate de efectele acestora asupra

societăţii, mediului şi sănătăţii umane. Dezvoltarea cunoştinţelor legate de impactul

nanoparticulelor asupra mediului şi sănătăţii umane a pornit de la ipoteza că materia

anorganică este inertă chiar şi la nivel nanostructural. Studii recente, legate de absobţia,

desorbţia, transportul, agregarea şi depunerea nanoparticulelor au arătat că acestea pot avea

efecte extrem de nocive, mergând până la generarea neoplasmelor. În plus, din cauza

dimensiunilor lor extrem de reduse, nanoparticulele se propagă prin aer, până la distanţe

uriaşe, producând infestarea solulului şi impurificarea mediului ambiant, cu efecte

toxicologice extrem de nefaste [2].

1.2 CĂLIREA DE PUNERE ÎN SOLUŢIE – CEA MAI VECHE NANOTEHNOLOGIE

Călirea de punere în soluţie a fost descoperită de Alfred Wilm, la Departamentul

Metalurgic al Institutului Central de Studii Ştiinţifice şi Tehnologice din Neubabelsberg, de

lângă Berlin, în 1901. Urmărind să durifice aliajele de aluminiu şi cunoscând efectele răcirii

rapide ale oţelului, Dr. Wilm a studiat, în stare călită, în stare răcită lent şi în stare deformată,

mai multe aliaje Al-Cu, conţinând mici adiţii de alte elemente de aliere. Rezultatele au fost

surprinzătoare: în loc să se durifice, unele aliaje au devenit cu atât mai moi cu cât au fost

răcite mai rapid.

Se pare că Dr.Wilm avea, pe lângă pasiunea de cercetător şi pe cea de navigator. Fiind

într-o sâmbătă dimineaţa şi dorind să se relaxeze după decepţia suferită, Dr.Wilm a hotărât să

dedice navigării pe râul Havel restul sfârşitului de săptămână. Luni dimineaţa a efectuat

testede duritate şi de tracţiune pe aliajele călite sâmbătă. Spre marea sa surprindere, în cele

două zile care s-au scurs între tratamentul termic şi măsurători, atât duritatea cât şi rezistenţa

la tracţiune au crescut în mod considerabil. Pentru a se convinge că nu a fost o simplă greşeală

a tehnicianului care a efectuat măsurătorile, Wilm a repetat sistematic experimentele,

modificând durata şi temperatura de îmbătrînitre. În felul acesta, după o muncă susţinută, a

brevetat în 1906 aliajului Al-(3,5-5.5)%Cu-max. 1% (Mg+Mn), cu o rezistenţa la tracţiune de

peste 400 MPa, care este utilizat şi în ziua de astăzi sub denumirea de DURALUMIN.

Denumirea este aparent clară: durus înseamnă dur, în limba latină. Cu toate acestea, prin

numele dat aliajului, Wilm a vrut să facă referire şi la denumirea firmei care a produs

materialul: Dürener Metallwerke (din Rhineland, astăzi landul Nordrhine Westfallen).