Домашнему алхимику на заметку

Этот «Мишка» не что иное, как микроструктура карбонильного железа.
Фото из пресс-материалов Конкурса научной фотографии-2005

Мировой бум в области нанотехнологий (НТ) создает эффект некой загадочности и непознанности вокруг самого объекта исследования. Между тем с нанообъектами мы встречались и встречаемся постоянно. К примеру, табачный дым содержит частички размерами 0,01 микрона (10–8 м) и более, а это всего лишь 10 нанометров (нм) или чуть больше. Кстати, такие же по размеру капельки – в струйном принтере.

Размеры частичек пепла от костра, кухонной копоти, бытовой квартирной пыли лишь чуточку больше (от 0,5 мкм). Фильтры современных пылесосов способны удерживать даже наночастички (предел «наноразмеров» – 100 нм). Кто хотя бы раз занимался шлифованием древесины с использованием наждачной шкурки-нулевки, сталкивался с мелкой шлифовальной древесной пылью. Размеры ее частичек практически приближаются к нано┘ Как большинство нанообъектов, они сильно электризуются и загрязняют помещения цехов по шлифованию древесины, прочно прилипая к поверхности оконных стекол, полу, оборудованию, одежде рабочих и т.п. Борьба с запылением подобных цехов успеха ощутимого не принесла и по-прежнему решается с помощью влажной тряпки.

Внимательно посмотрев на стеклянный баллон долго эксплуатируемой электрической лампочки, можно заметить темноватый налет на внутренней поверхности стекла. Это нанослой испарившегося вольфрама, из которого изготовлена спираль лампы накаливания. При перегорании спирали подобный слой будет более толстым и темнее по цвету. Это подтверждает известный факт, что нанослои большинства металлов прозрачны. С этим эффектом также многие сталкивались – через стекла очков с тонкой напыленной пленкой металла (золота, к примеру) все прекрасно видно.

Школьные опыты по химии (получение тонкой серебряной пленки на стекле, ртутной пленки на меди или медной пленки на железном гвозде) – из той же оперы. Все зависит от выбранной концентрации реагентов. Более того, самые качественные пленки графена (одноатомные по толщине) до сих пор получают при простом расслоении специально приготовленного графита, к обоим сторонам которого приклеены липкие ленты (скотч). Многократно выполняя операции прикатки-расслаивания, добиваются получения графеновой пленки.

Таким же образом можно получить тончайшие пленки слюд различных марок. Взяв слюду черного цвета (биотит), через 10–12 прикатываний-расслоений можно убедиться, что тонкие листочки становятся прозрачными. Правда, для оценки толщины слоя потребуется оптический микроскоп с увеличением в тысячу раз.

Некоторые манипуляции можно провести даже в домашних условиях, и это посильно школьникам, студентам и просто любопытствующим обывателям. Каждый может получить ртутную пленку на медной фольге и оценить силу адгезии (адгезия – склеивание, прилипание) ее к медной подложке методом отслаивания.

Вы можете повторить эти манипуляции прикатывания-отслаивания 50–70 раз, и прочность на отслаивание будет практически одинаковой. Но, начиная с какого-то момента, вы заметите, что на расслаивание требуются большие по весу грузы. Этот факт связан с влиянием подложки (медной фольги) на адгезионную прочность.

Вот тут-то вы столкнетесь с интересным фактом (даже маленьким открытием). Прочность ртутной пленки будет возрастать по мере утоньшения ее слоя на медной подложке. То есть адгезионная прочность и прочность жидких прослоек не являются константой материала, а зависят от времени действия нагрузки (скорости отслаивания), влияния подложки, на которой сформирована пленка жидкости. По мере уменьшения толщины ртутной пленки на медной подложке это различие резко увеличивается (в разы). В пределе при полном отслоении ртутного слоя от меди адгезионная прочность сравнивается с контрольной (адгезия липкой ленты к меди).

Тончайшая пленка водорослей способна удерживать несколько часов пузырьки воздуха, образующиеся в результате испарения воды. Фото из пресс-материалов Конкурса научной фотографии-2005

Недавно опубликованы работы отечественных ученых («Природа», № 9, 2007, с. 10–19) по оценке прочности тонкой пленки металла на мягкой (полимерной) подложке, которую подвергали простому растяжению в одном направлении. Эти простые по сути измерения показали, что прочность твердого тела при уменьшении толщины ниже 15 нм на порядок превосходит прочность блочного материала. То есть прочность твердого тела зависит от его размеров в нанодиапазоне. Думаю, этого нельзя исключить и для жидкостей. Подтверждением служат факты резкого (в миллионы раз) повышения вязкости жидкостей, помещенных между обкладками прижатых листочков слюды.

В нанодиапазоне резко меняются привычные для макроразмеров свойства твердых тел. Если металлы не электризуются в обычных условиях, то пленки сусального золота толщиной 1–8 мкм прилипают ко всем предметам и их трудно разрезать без дополнительной электризации. Электрическая прочность тонких слюдяных пластин приближается к теоретически рассчитанному пределу (около 100 млн. В/см). Нанослои золота даже меняют свою структуру при воздействии внешнего электрического поля, причем этот процесс обратим.

Где еще мы сталкиваемся с нанообъектами в повседневной жизни?

Полированные поверхности объективов фотоаппаратов имеют высоту неровностей (шероховатость) около десятков нанометров. Примерно такие же по размерам «выступы» – на поверхности расслоенных листочков слюд. Если попробовать поскоблить нагретый цинк железной палочкой, можно заметить появление белых волоконец оксида цинка микро- и, возможно, наноразмеров. Не зря алхимики называли оксид цинка философской шерстью.

Так что, если внимательно присмотреться, можно обнаружить, что нанообъекты окружают нас, мы живем буквально среди них.