Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В

вы, которые восстанавливают форму при температуре немного ниже 36 oС и п ри 36 oС обладают сверхупругостью, либо сплавы, восстановление формы которых происходит при нагреве немного выше 36 oС, не вызывающем термического разложения тканей [4].

Биологическая совместимость сплавов Ti-Ni с памятью позволила широко использовать из в медицине, из них изготавливают различные имплантаты и сверхупругие инструменты.

Cплавы Ti-Ni применяются в эндоваскулярной хирургии. На рис. 1.36 показаны цилиндрические стенты, которые расширяют сосуд, перекрытый склеротической бляшкой. Данный имплантат помещают в катетер и при помощи эндоскопа доставляют в нужное место.

Рис. 1.36. Дилатирующие стенты для сосудов и полых органов (а) и их доставка (б) [3]

Из сплавов с памятью могут изготавливаться имплантаты, применяемые для лечения костных переломов (остеосинтеза), замещения связочно-хрящевых структур позвоночника и т.п. [3, 4]. Принцип действия имплантатов для остеосинтеза показан на рис. 1.37. Металлическая скоба имеет первоначально изогнутую форму. После охлаждения ниже комнатной температуры она растягивается и концами закрепляется на костных отломках.

51

После нагрева до температуры тела скоба, стремясь восстановить исходную форму, фиксирует отломки и создает необходимую компрессию [4].

Проволочные элементы из никелида титана широко используются при изготовления ортодонтических дуг, входящих в состав брекет-системы для исправления прикуса зубов [3]. Примером использования сплавов Ti-Ni при изготовлении медицинских инструментов могут служить сверхупругие стоматологические буры, применяемые для обработки зубных каналов [3].

Рис. 1.37. Схема действия имплантата для сращивания перелома [4]: а – исходная форма, б – деформированная форма, в – после установки на костные отломки и нагрева; г – фиксаторы

для остеосинтеза костей черепа [3]

52

2.НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

2.1.Нитевидные нанокристаллы и паро-жидкостный рост

Нитевидные нанокристаллы (ННК) или нановискеры

(nanowhisker, nanowire – англ.) − это маленькие и очень маленькие цилиндры или стержни (рис. 2.1). Они могут иметь диаметры едва ли не в десятки атомов и длину от сотен до нескольких миллионов атомов. Неестественная форма, микроминиатюрные размеры, высочайшее структурное совершенство и экстраординарное отношение поверхности к объему таких кристаллов придает им целый ряд уникальных физических свойств. Одним из проявлений важнейших свойств ННК являются их рекордные механические характеристики, выражающиеся в аномальных прочности, достигающей теоретических пределов и упругой деформации, предел которой более чем в 1000 раз превышает предел упругости массивных образцов.

____1 мкм____

Рис. 2.1. РЭМ-изображение регулярной системы цилиндрических ННК InP диаметром 180 нм и длиной 1,5 мкм. Катали-

затор – Au

53

Непревзойденные характеристики и свойства ННК обусловлены специфическим методом их выращивания пар→жидкость→кристалл (ПЖК). Это единственный известный в природе комбинированный метод кристаллизации, когда в процессе одновременно участвует более двух фаз.

ПЖК-рост ННК был открыт в середине 60-х годов Вагнером и Эллисом. Они же дали первое описание процесса с помощью фазовой диаграммы, как, например, проиллюстрировано на рис. 2.2 для Au-Ge.

Затем, в 70-е годы, большой вклад в изучение ростовых процессов субмикронных ННК был сделан в работах Гиваргизова, результаты которых обобщены в книге [12]. В 80-е годы исследователи наибольшее внимание уделяли процессам синтеза и изучения свойств микроразмерных нитей. Здесь выделяются работы группы под руководством Щетинина. Экспериментальные методы того времени ещё не обладали достаточно высокой разрешающей способностью, в особенности для выяснения структуры одномерных нанокристаллов. Возможно, именно это обстоятельство способствовало смещению пика исследований в сторону изучения вискеров - нитевидных кристаллов с диаметрами 1-100 мкм.

Появление в конце XX в. высокоразрешающих методов изучения кристаллической структуры позволило перейти к систематическому исследованию наноразмерных кристаллов. В 90- е и 00 -е годы интерес к изучению процессов синтеза ННК вспыхнул с новой силой, что также связано с развитием новых методов выращивания одномерных наноструктур, таких, как лазерная абляция, молекулярно-пучковая эпитаксия, МОСгидридная эпитаксия и др. и обусловлено пионерскими работами исследовательских групп Либера, Самуэльсона, Янга, Шмидта, Гласа, Дубровскогов данном направлении.

Число публикаций, посвященных ННК, к 2010 г. вышло на первое место в области физики (около 6000 статей в год) и в на-

54

стоящее время держит эту «планку», далеко обогнав ставшие уже традиционными публикации по другим видам материалов, включая квантовые точки, тонкие пленки и т.п.

Рис. 2.2. Схема фазовой диаграммы Au-Ge, иллюстрирующая рост ННК Ge

Однако, несмотря на значительный технологический прогресс в области синтеза и диагностики структуры и свойств полупроводниковых ННК, достигнутый в последнее время, несмотря на колоссальные возможности прецизионного контроля диаметра, высоты, формы, поверхностной плотности, структуры и состава ННК, до сих пор не разработаны методы их управляемого роста.

2.2. Классическая картина ПЖК-роста

Тонкая металлическая пленка-катализатор (золото, платина, никель, медь или др.) наносится на плоскую подложку, чаще всего кремниевую. Затем подложка помещается в высокотемпературную печь и нагревается до температуры выше, чем точка сплавления кремния с металлом. При высокой температуре пленка под действием сил поверхностного натяжения разбива-

55