Блоксополимеры

Молекулы блоксополимеров, составляющих разновидность полимеров, в результате самоорганизации могут принимать форму сферы, чередующихся слоев, стержней и т. п., образуя своеобразный орнамент. Например, трехблочный сополимер формируется из двух полимеров А и В, причем полимер В расположен между сегментами полимера А. В сформированной структуре А–В–А центральная часть обладает свойствами полимера В, а периферийная – полимера А. Если химическая связь между молекулами А и В приводит к отталкиванию, то образуется сферическая структура, в которой молекулы полимера А относительно равномерно распределены в матрице из молекул полимера В.

Расположение молекул в блоксополимере сильно влияет на его механические свойства. Например, блок сополимер, содержащий 1400 молекул бутадиена (В) и 250 молекул стирола (А) и образующий структуру А–В–А, характеризуется достаточно высоким пределом прочности на растяжение. Тот же трехблочный сополимер, но с обращенной структурой, т. е. В–А–В, представляет собой сиропообразную жидкость с близкой к нулю пределом прочности.

При нагревании блоксополимера со структурой А– В–А можно придать ему любую форму, а при охлаждении до комнатной температуре он становится похожим на вулканизированную резину, но в отличие от резины его снова можно нагреть и придать ему другую форму. Такое свойство термопластичности блоксополимеров имеет важное практическое значение.

Оптические материалы

Подобно тому, как в микроэлектронике транзисторы вытеснили электронные лампы, тончайшие кварцевые нити вытесняют медную проволку, из которой в течение длительного времени изготовлялись многожильные кабели. На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.

Прогресс в развитии световолоконной индустрии во многом определился технологической возможностью изготовления высокопрочной кварцевой нити путем химической конденсации паровой фазы. Технология изготовления кварцевой нити относительно проста. Вначале, вещество, содержащее кремний, сжигается в потоке кислорода. В результате образуется фаза чистого диоксида кремния, которая осаждается на внутренней поверхности стеклянной трубки. Затем стеклянная трубка с нанесенным слоем диоксида кремния размягчается и вытягивается в тонкую нить. Толщина полученной таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно 0, 1 толщины человеческого волоса.

Совершенствование технологииизготовления кварцевых нитей позволило менеечем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. В отличие от обычных стекол, состоящих из смеси оксидов металлов, фторидные стекла – это смесь фторидов металлов.

Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи большого объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение и т. п. с успехом пользуются волоконно-оптической связью.

Современная химическая технология сыграла важную роль не только в разработке новых оптических материалов – оптических волокон, но и в создании материалов для оптических устройств для переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. Например, оптический переключатель срабатывает за одну миллионную миллионной доли секунды (пикосекунду). В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия. Экспериментальные исследования показывают, что органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойствами, чем ниобат лития, и являются весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.

Материалы с электрическими свойствами

В 50-х годах XX в. по мере изучения природы проводимости полупроводников создавались полупроводниковые материалы для электронных устройств. Вначале такими материалами служили преимущественно монокристаллы кремния и германия (см. рис. 6.18) с содержанием в них относительно небольшой концентрации примесей. Полупроводниковыми свойствами, как выяснилось позже, обладают и бинарные соединения, например, соединения галлия и мышьяка, антимонид индия. Из антимонида индия до сих пор изготавливаются высокочувствительные полупроводниковые детекторы для ближней инфракрасной области.

Через некоторое время в центре внимания разработчиков оказались монокристаллы арсенида галлия, выращенные на подложках из монокристаллического фосфида индия. Современная технология позволяет получить несколько слоев арсенида галлия различной толщины с различным содержанием примесей. Из арсенид-галлиевых материалов изготавливают рабочие узлы лазеров и лазерных дисплейных устройств, применяемых в длинноволновых оптических линиях связи.

В процессе разработки новых полупроводниковых материалов были неожиданно открыты полупроводниковые свойства аморфного (некристаллического!) кремния. К настоящему времени открыты совершенно новые группы материалов, обладающих электрической проводимостью. Физические свойства их в значительной степени зависят от локальной структуры и молекулярных связей. Некоторые из таких материалов относятся к неорганическим, другие – к органическим соединениям.

Изучение органических материалов с электропроводящими свойствами началось в конце 60-х, когда были синтезированы проводящие органические кристаллы. Такие проводники были получены в реакциях соединений тетратиафульвалена и тетрационохинодиметана. Молекулы данных соединений имеют плоскую структуру, и в смешанном кристалле они располагаются последовательно, образуя столбы. В результате взаимодействия смежных молекул формируются комплексы с переносом заряда. Такое взаимодействие возможно при наличии донора – молекулы, легко отдающей электроны, и акцептора – молекулы, принимающей их. Роль донора выполняет молекула тетратиафульвалена, а роль акцептора – молекула тетрацианохинодиметана. При переносе заряда между молекулами возникает электрический ток вдоль проводящего столбика.

Механизм переноса заряда в проводящих столбиках обнаружен и в других материалах – полимерных проводниках. В таких проводниках большие плоские молекулы служат элементами проводящего столбика и образую металломакроциклы, соединяющиеся друг с другом посредством ковалентно связанных атомов кислорода. Такая химическая сконструированная молекула обладает электрической проводимостью, и это – настоящая сенсация. Атомы металла и окружающие его в плоском макроцикле группы можно заменить и модифицировать различными способами. В результате можно получить полимер с заданными электропроводящими свойствами.

В углеродном скелете одного из простейших органических полимеров двойные связи чередуются с одинарными. Такая связь называется сопряженной. Она обусловливает подвижность электрических зарядов вдоль углеродной цепи. Данные полимеры с присадками брома, йода и пентафторида мышьяка приобретают металлический блеск и свойство проводить электрический ток лучше многих металлов, например таких, как медь.

Технология изготовления полимерных проводников уже освоена, и число разновидностей таких проводников становится все больше. Под воздействием определенных реагентов полипарафенилен, парафениленсульфид, полипиррол и другие полимеры приобретают электропроводящие свойства.

В настоящее время разрабатываются технологии синтеза полимерных проводников, обладающих прочностью, термопластичностью и эластичностью. Проводятся работы по созданию электрохимическим методом дешевых фотоэлектрических элементов для преобразования солнечной энергии в электрическую. Возможно, с помощью полимерных электродов удастся создать легкие батареи с подзарядкой и большой плотностью аккумулирующей энергии.

В некоторых твердых материалах с ионной подвижной структурой подвижность ионов сравнивается с подвижностью ионов в жидкости. Подобные материалы – твердотельные ионные проводники – используются в устройствах памяти, дисплеях, датчиках, а также в качестве электролитов и электродов в батареях. Например, бета-алюминий натрия служит твердым проводящим электролитом в натриево-серной батарее.

Обычно ионное твердотельное вещество, например хлорид натрия, имеет определенный химический состав и является диэлектриком. При получении твердотельных электролитов создаются структурные дефекты и формируется состав с отличным от целочисленного соотношения между его компонентами. Носители заряда вводятся между слабо связанными слоями решетки, где они могут свободно перемещаться. Такими подвижными носителями заряда могут служить ионы лития или водорода, а матрицу для их внедрения может образовать, например, графит. Ионные проводники на основе диоксида циркония находят применение, например, при изготовлении чувствительных элементов кислородного анализатора выхлопных газов автомобиля.

При создании современной микроэлектронной техники и высокочувствительной аппаратуры используются разнообразные анизотропные материалы с анизотропными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Такими свойствами обладают ионные кристаллы, органические молекулярные кристаллы, полупроводниковые и многие другие материалы. Например, поливинилденхлорид (CH₂CCI₂,)_n, изменяющий форму в электрическом поле, применяется в гидролокаторах и микрофонах. Анизотропные тонкопленочные магнитные материалы служат основой для создания современных высокоплотных накопителей информации.

Современная технология позволяет получить проводящие стекла – материал в виде стекла, но не с диэлектрическими свойствами, а с металлической проводимостью или полупроводниковыми свойствами. Такая технология основана на быстром замораживании жидкости, конденсации газовой фазы на очень холодную поверхность или имплантации ионов на поверхность твердого вещества. Например, некристаллический кремний с полупроводниковыми свойствами можно получить в результате быстрой конденсации продуктов, образующихся в тлеющимся разряде в атмосфере газообразного силана SiH₄. Из данного материала можно изготавливать дешевые солнечные батареи. Рабочие параметры таких батарей в значительной степени зависят от концентрации примесей водорода, химически связанного с неупорядоченно расположенными атомами кремния.

Таким образом, с применением современных технологий можно получить новые материалы с необычным комплексом свойств, не наблюдаемых в традиционных материалах.

Материалы диссоциации металлоорганических соединений

Результаты экспериментальных исследований последнего времени показали, что при термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К таким металлоорганическим соединениям относятся:

• карбонилы: W(CO)₆, Mo(CO)₆, Fe(CO)₅, Ni(CO)₄;

• ацетилацетонаты металлов: Сu(С₅Н₇0₂)₂, Pd(C₅H₇0₂ )₂, Pt (C₅Н₇О₂)₂ , Ru(C₅H₇O₂)₃;

• дикарбонилацетонат родия: Rh(C₅H₇O₂)₂(СО)₂ и др.

Данным соединениям в газообразном состоянии присуща высокая летучесть, они разлагаются при нагревании до 100–150°С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.

Высокодисперсные порошки состоят из частиц малых размеров – до 1–3 мкм. Такие порошки используются для производства металлокерамики – композиций металлов с оксидами, нитридами, боридами, получаемых методом порошковой металлургии. Металлические порошки, например железа и никеля, обладающие магнитными свойствами находят применение в радиоэлектронике и электротехнике.

Металлические вискерсы представляют собой нитевидные кристаллы диаметром 0, 5–2, 0 мкм и длиной 5–50 мкм. Для таких кристаллов характерны: высокая механическая прочность, примерно в 10 раз превышающая прочность самых высококачественных сталей, высокая устойчивость к окислению, необычные магнитные свойства. Формируются данные кристаллы на активных центрах подложки, где в парамагнитных кластерах образуется своеобразная ступенчатая монокристаллическая структура. Металлические вискерсы представляют практический интерес для синтеза новых композиционных материалов с металлической или пластмассовой матрицей.

Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света данный материал приближается к серебру. Беспористое тонкопленочное покрытие толщиной около 90 мкм надежно защищает от коррозии даже в самой агрессивной среде – газовом потоке фтора. Коррозионная стойкость таких покрытий примерно в 5 раз выше, чем покрытий, полученных гальваноосаждением или методом восстановления.

Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металло-органических соединений в поры любого материала. Таким способом формируется ячеистая металлическая структура.

Металлизированные волокна и бумага обладают уникальными механическими, теплофизическими и электропроводящими свойствами. В будущем они найдут широкое применение.

Таким образом, современные химические технологии позволяют получить новые материалы с весьма необычными свойствами, некоторые из них уже нашли практическое применение.

Тонкопленочные материалы для накопителей информации

Любая электронно-вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер содержит накопитель информации – запоминающее устройство, способное накапливать и хранить большой объем информации. Большинство накопителей информации базируются на магнитной записи. В накопителях информации на подвижном магнитном носителе, где основное – это накопление информации, важным параметром является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя информации.

Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствования технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз: в 1989 г. она составляла примерно 1, 55 Мбит/мм², в 1996г. – 4, 65 Мбит/мм².

Запись с высокой поверхностной плотности осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала, например, сплава CoPtCr с уникальной магнитной структурой.

Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Такими свойствами обладают пермаллоевые (железоникелевые) пленки, тонкопленочные материалы Fe₁₆N₂ с относительно небольшим содержанием азота, многослойные пленки FeSi/NiFe и другие материалы.

Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например пермаллоя. Относительное изменение электрического сопротивления пермаллоевого элемента в магнитном поле составляет около 2%. Данная величина, как показали результаты экспериментальных исследований последнего десятилетия, может достигать (например, в многослойных тонкопленочных материалах, однослойных гранулированных пленках и других материалах) десятков процентов, поэтому их называют материалами со сверхгигантским магнетосопротивлением.

Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации.

Контрольные вопросы

1. Что такое химический элемент?

2. Сформулируйте закон кратных соотношений.

3. Каковы темпы роста химической продукции?

4. В чем заключается специфика современных средств управления химическими процессами?

5. Что такое селективный синтез?

6. Каков молекулярный механизм фотосинтеза?

7. Охарактеризуйте основные виды катализа.

8. Каким образом изучается химический состав космических объектов?

9. Какое процентное содержание химических элементов в верхнем слое земной коры?

10. Охарактеризуйте природные запасы металлов.

11. Назовите основные виды неметаллического сырья.

12. Каковы запасы органического сырья?

13. Как получаются сверхпрочные трансурановые элементы?

14. Что такое остров стабильности?

15. Где применяются радиоактивные изотопы?

16. В чем заключаются преимущества плазмохимической технологии?

17. Почему с повышением давления повышается химическая активность?

18. Как выращивается искусственный алмаз?

19. Каковы перспективы применения фуллеронов?

20. Как можно изменить свойства синтезируемого полимерного материала?

21. В чем заключается отличительное свойство эластомеров?

22. Какими свойствами обладают современные синтетические ткани?

23. Какое химическое сырье производят из древисины?

24. Как обеспечиваются новые свойства традиционных материалов?

25. Каковы способы защиты материалов?

26. Назовите основные виды перспективных материалов.

27. Как повышается прочность материалов?

28. Где применяются нитеноловые изделия?

29. Какими свойствами обладают материалы диссоциации металлоорганических соединений?

30. Что такое металлические вискерсы?