Нанохимия эволюция предмета исследования в химии. Основные направления и понятия нанохимии

Как указано выше, вследствие расположенности наномира на границах классической физики и квантовой механики его объекты уже нельзя рассматривать как абсолютно одинаковые и статистически неразличимые. Все они индивидуальны, и одна наночастица отличается от другой составом, строением и множеством других параметров (например, фуллерены С 60 и С 70). Невозможно игнорировать наличие неоднородностей и нерегулярностей в структуре объекта и пользоваться для его описания средними, интегральными характеристиками, как это принято в классической физике. Особенность нанообъектов заключаются и в том, что их размер соизмерим с радиусом действия сил межатомного взаимодействия, т.е. с расстоянием, на которое должны быть удалены атомы тела, чтобы их взаимодействие не сказалось на его свойствах в заметной степени. Вследствие этой особенности нанотела взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой иначе, чем макротела. Наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации получила название нанохимия . Она исследует получение и свойства различных наносистем. Наносистемы представляют собой множество тел, окруженных газовой или жидкой средой. Такими телами могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Это промежуточные формы между атомами и макроскопическими телами. Размер систем остается в пределах 0,1-100 нм.

Одна из приоритетных задач этой области знаний – установление связи между размером наночастицы и ее свойствами. В нанохимии чрезвычайно велика роль квантовых размерных эффектов , вызывающих изменение свойств вещества в зависимости от размера частиц и количества в них атомов или молекул. Роль размерных эффектов настолько велика, что предпринимаются попытки создать таблицы зависимости свойств кластеров и наночастиц от их размера и геометрии наподобие Периодической таблицы. Квантовые размерные эффекты определяют такие свойства вещества, как теплоемкость, электропроводность, некоторые оптические свойства и т.п.

Изменения характеристик связаны с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов. Свойства атомов, находящихся вблизи поверхности, отличаются от свойств атомов, находящихся в объеме материала, поэтому поверхность частицы можно рассматривать как особое состояние вещества. Чем больше доля атомов, находящихся на поверхности, тем сильнее эффекты, связанные с поверхностью (рис. 9).

Рис. 9. Изменение соотношения «поверхностных» атомов (1) и находящихся в объеме материала (2) в зависимости от размера частицы.

Особенности электронной структуры нанообъектов объясняются усилением квантовых свойств, связанных с уменьшением размеров. Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.

Существенные различия в свойствах наночастиц начинают возникать при размерах частиц менее 100 нм. С энергетической точки зрения, уменьшение размеров частиц приводит к возрастанию роли поверхностной энергии, что ведет к изменению физических и химических свойств малых объектов.

Объектами исследования нанохимии являются тела с такой массой, что их эквивалентный размер (диаметр сферы, объем которой равен объему тела) остается в пределах наноинтервала (0,1 – 100 нм). Условно нанохимию можно разделить на теоретическую, экспериментальную и прикладную (рис. 10).

Рис. 10. Структура нанохимии

Теоретическая нанохимия разрабатывает методы расчета поведения нанотел, учитывая такие параметры состояния частиц, как пространственные координаты и скорости, масса, характеристики состава, формы и структуры каждой наночастицы.

Экспериментальная нанохимия развивается в трех направлениях. В рамках первого , который вполне соотносится с разделом аналитической химии, разрабатываются и используются сверхчувствительные физико-химические методы дающие возможность судить о структуре молекул и кластеров, включающих десятки и сотни атомов. Второе направление исследует явления при локальных (местных) электрических, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. При этом преследуется цель изучить взаимодействие отдельных молекул газа с нанотелами и нанотел друг с другом, выявить возможность внутренних перегруппировок без разрушения молекул и кластеров и с их распадом. Данное направление также интересует возможность «атомной сборки» нанотела нужного внешнего вида при перемещении атомов по поверхности подложки (основного материала, поверхность которого подвергается различным видам обработки, в результате чего образуются слои с новыми свойствами или наращивается плёнка другого материала). В рамках третьего направления определяются макрокинетические характеристики коллективов нанотел и функций их распределения по параметрам состояния.

Прикладная нанохимия включает в себя: разработку теоретических основ применения наносистем в технике и нанотехнологии, методов предсказания развития конкретных наносистем в условиях их использования, а также поиск оптимальных способов эксплуатации (техническая нанохимия ); создание теоретических моделей поведения наносистем при синтезе наноматериалов и поиск оптимальных условий их получения (синтетическая нанохимия ); изучение биологических наносистем и создание методов использования наносистем в лечебных целях (медицинская нанохимия ); разработку теоретических моделей образования и миграции наночастиц в окружающей среде и методов очистки природных вод или воздуха от наночастиц (экологическая нанохимия ).

Говоря о размерах объектов изучения, сдедует учитывать, что границы наноинтервала в химии условны. Свойства тела в разной мере чувствительны к его размеру. Некоторые из свойств теряют специфику при размере больше 10 нм, другие – больше 100 нм. Поэтому, чтобы меньше свойств исключалось из рассмотрения, верхнюю границу наноинтервала принимают равной 100 нм.

В данном интервале любое свойство специфически зависит от его массы и объема. Поэтому объектом нанохимии можно считать объекты у которых взаимодействия каждого атома со всеми другими атомами являются значимыми .

Классификацию объектов нанохимии можно проводить по разным признакам. Например, по фазовому состоянию (табл. 1).

По геометрическому признаку (мерности) нанообъекты можно классифицировать по-разному. Одни исследователи предлагают характеризовать мерность объекта количеством измерений, в которых объект имеет макроскопические размеры. Другие берут за основу количество наноскопических измерений.

В табл. 2 приведены основные объекты нанохимических исследований (наночастицы и соответствующие им наносистемы).

Классификация нанообъектов по их мерности важна не только с формальной точки зрения. Геометрия существенно влияет на их физико-химические свойства. Рассмотрим некоторые наиболее приоритетные объекты исследования нанохимии.

Наночастицы из атомов инертных газов . Являются самыми простыми нанообъектами. Атомы инертных газов с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-Ваальса. При описании таких частиц применяется модель твердых шаров (рис. 11). Энергия связи, то есть энергия, затрачиваемая на отрыв отдельного атома от наночастицы, очень мала, поэтому частицы существуют при температурах не выше 10-100 К.

Рис. 11. Наночастицы из 16 атомов аргона.

Наночастицы металлов . В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи (рис. 12). Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов. Наночастицы металлов могут принимать правильную форму – октаэдра, икосаэдра, тетрадекаэдра.

Рис. 12. Наночастицы, состоящие из атомов платины (белые сферы) и меди (серые)

Фуллерены . Представляют собой полые внутри частицы, образованные многогранниками из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Особое место среди фуллеренов занимает частица из 60 атомов углерода – C 60 , напоминающая микроскопический футбольный мяч (рис. 13).

Рис. 13. Молекула фуллерена C 60

Фуллерены находят широкое применение: в создании новых смазок и антифрикционных покрытий, новых типов топлива, алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости, датчиков и красок.

Углеродные нанотрубки . Это полые внутри молекулярные объекты, состоящие примерно из 1 000 000 атомов углерода и представляющие собой однослойные или многослойные трубки диаметром от 1 до 30 нм и длиной в несколько десятков микрон. На поверхности нанотрубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников (рис. 14).

Рис. 14. Углеродные нанотрубки.

Нанотрубки обладают рядом уникальнейших свойств, благодаря которым находят широкое применение преимущественно в создании новых материалов, электронике и сканирующей микроскопии. Уникальные свойства нанотрубок: высокая удельная поверхность, электропроводность, прочность – позволяют создавать на их основе эффективные носители катализаторов для различных процессов. Например, из нанотрубок делают новые источники энергии – топливные ячейки, способные работать во много раз дольше, чем простые батарейки аналогичного размера. Например, нанотрубки с наночастицами палладия могут компактно хранить водород в тысячи раз больше своего объема. Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позволит хранить в них в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в современных батарейках.

Ионные кластеры . Представляют собой классическую картину, характерную для ионной связи в кристаллической решетке хлорида натрия (рис. 15). Если ионная наночастица достаточно велика, то ее структура близка к структуре объемного кристалла. Ионные соединения находят применение в создании фотопленок с высоким разрешением, молекулярных фотодетекторов, в различных областях микроэлектроники и электрооптики.

Рис. 15. Кластер NaCl.

Фрактальные кластеры . Это объекты с разветвленной структурой (рис. 16): сажа, коллоиды, различные аэрозоли и аэрогели. Фрактал – это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно увидеть, как одна и та же структура повторяется в нем на всех уровнях и в любом масштабе.

Рис.16. Фрактальный кластер

Молекулярные кластеры (супрамолекулярные системы). Кластеры, состоящие из молекул. Большинство кластеров являются молекулярными. Их число и разнообразие огромно. В частности, к молекулярным кластерам относятся многие биологические макромолекулы (рис. 17 и 18).

Рис. 17. Молекулярный кластер белка ферредоксина.

Рис. 18. Высокоспиновые молекулярные кластеры

Нанохимия

Химия и фармакология

В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в последние 7-10 лет. Исследование наноструктур является общим направлением для многих классических научных дисциплин. Нанохимия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования...

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ И МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ

Нанохимия

Выполнила: студентка 1-ХО Куклина Н.Е.

Проверил: к.х.н., доцент Брянский Б.Я.

Омск 2008

§1. История становления нанонауки…………………………………………………………3

§2. Основные понятия нанонауки…………………………………………………………….5

§3. Особенности строения и поведения некоторых наночастиц……………………………8

§4. Виды прикладного использования нанохимии……………………………………….....9

§5. Методы получения наночастиц…………………………………………………………..10

§6. Наноматериалы и перспективы их применения………………………………………...11

Источники информации………………………………………………………………………13

§1. История становления нанонауки

1905 г. Альберт Эйнштейн теоретически доказал, что размер молекулы сахара р а вен 1 нанометру.

1931 г. Немецкие физики Эрнст Руска и Макс Кнолл создали электронный микр о скоп, обеспечивающий 10 15 -кратное увеличение.

1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике изобрел фазово-контрастный ми к роскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изобр а жения, и исследовал с его помощью живые клетки.

1939 г. Компания Siemens, в которой работал Эрнст Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро ста н дартов, придумал двигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микр о скопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нанометр = 10 ангстрем).

1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник её отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения матери а лов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.

1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Ге н рих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото открыли фуллерены – молекулы, состо я щие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микр о скоп, позволивший, наконец, визуализировать атомы любых материалов (не только пр о водящих), а также манипулировать ими.

1987–1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П.Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.

1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, и с пользовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм.

1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии.

1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г.Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок. Для этого ему пришлось первым в мире изм е рить электрическую проводимость такой молекулы.

2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехме р ной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм.

2000 г. Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую ин и циативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерч е ские компании вложили в него в 10 раз больше.

2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наном е ханизм.

2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

§2. Основные понятия нанонауки

В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в после д ние 7-10 лет. Исследование наноструктур является общим направлением для многих классических научных дисциплин. Нанохимия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования, новых наноматериалов с заданными свойствами, нередко превосходящими по качеству природные материалы.

Нанохимия - это наука, которая занимается изучением свойств различных нанос т руктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации.

Приоритетная задача нанохимии - установление связи между размером наноч а стицы и ее свойствами.

Объектами исследования нанохимии являются тела с такой массой, что их экв и валентный размер остается в пределах наноинтервала (0,1 – 100 нм).

Наноразмерные объекты занимают промежуточное положение между объемными материалами с одной стороны, и атомами и молекулами с другой. Присутствие таких об ъ ектов в материалах придает им новые химические и физические свойства. Нанообъекты являются промежуточным и связующим звеном между миром, в котором действуют зак о ны квантовой механики, и миром, в котором действуют законы классической физики.

Характерные размеры объектов окружающего мира

Нанохимия исследует получение и свойства различных наносистем. Наносистемы представляют собой множество тел, окруженных газовой или жидкой средой. Такими т е лами могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Это промежуточные формы между атомами и макроскопическими телами. Размер систем о с тается в пределах 0,1 – 100 нм.

Классификация объектов нанохимии по фазовому состоянию

Фазовое состояние	Единичные атомы	Кластеры	Наночастицы	Компактное вещество
Диаметр, нм	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Свыше 100
Количество атомов	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Свыше 10 9

Круг объектов исследуемых нанохимией, непрерывно расширяется. Химики всегда стремились понять, в чем состоят особенности тел нанометровых размеров. Это привело к бурному развитию коллоидной и макромолекулярной химии.

В 80–90-х годах XX века, благодаря методам электронной, атомно-силовой и ту н нельной микроскопии, удалось наблюдать за поведением нанокристаллов металлов и н е органических солей, белковых молекул, фуллеренов и нанотрубок, а в последние годы т а кие наблюдения стали массовыми.

Объекты нанохимических исследований

Наночастицы	Наносистемы
Фуллерены	Кристаллы, растворы
Тубулены	Агрегаты, растворы
Молекулы белков	Растворы, кристаллы
Полимерные молекулы	Золи, гели
Нанокристаллы неорганических в е ществ	Аэрозоли, коллоидные растворы, осадки
Мицеллы	Коллоидные растворы
Наноблоки	Твердые тела
Пленки Ленгмюра – Блоджет	Тела с пленкой на поверхности
Кластеры в газах	Аэрозоли
Наночастицы в слоях различных в е ществ	Наноструктурированные пленки

Таким образом, можно выделить следующие основные характеристики нанохимии:

1. Геометрические размеры объектов лежат в нанометровом масштабе;
2. Проявление новых свойств объектами и их совокупностями;
3. Возможность контроля и точного манипулирования объектами;
4. Объекты и устройства, собранные на базе объектов получают новые потребител ь ские свойства.

§3. Особенности строения и поведения некоторых наночастиц

Наночастицы из атомов инертных газов являются самыми простыми нанооб ъ ектами. Атомы инертных газов с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-Ваальса. При описании таких частиц применяется модель твердых шаров.

Наночастицы металлов . В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализ а торов. Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму – октаэдра, икос а эдра, тетрадекаэдра.

Фрактальные кластеры – это объекты с разветвленной структурой: сажа, ко л лоиды, различные аэрозоли и аэрогели. Фрактал – это такой объект, в котором при возра с тающем увеличении можно увидеть, как одна и та же структура повторяется в нем на всех уровнях и в любом масштабе.

Молекулярные кластеры – кластеры, состоящие из молекул. Большинство класт е ров являются молекулярными. Их число и разнообразие огромны. В частности, к молек у лярным кластерам относятся многие биологические макромолекулы.

Фуллерены представляют собой полые внутри частицы, образованные многогра н никами из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Особое место среди фуллер е нов занимает частица из 60 атомов углерода – С 60 , напоминающая микроскопический футбольный мяч.

Нанотрубки – это полые внутри молекулы, состоящие примерно из 1.000.000 ат о мов углерода и представляющие собой однослойные трубки диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На поверхности нанотрубки атомы углерода расп о ложены в вершинах правильных шестиугольников.

§4. Виды прикладного использования нанохимии

Условно нанохимию можно разделить на:

• Теоретическая
• Экспериментальная
• Прикладная

Теоретическая нанохимия разрабатывает методы расчета поведения нанотел, учитывая такие параметры состояния частиц, как пространственные координаты и скор о сти, масса, характеристики состава, формы и структуры каждой наночастицы.

Экспериментальная нанохимия развивается в трех направлениях. В рамках пе р вого разрабатываются и используются сверхчувствительные спектральные методы, да ю щие возможность судить о структуре молекул, включающих десятки и сотни атомов. В рамках второго направления исследуются явления при локальных (местных) электрич е ских, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. В рамках третьего направления определяю т ся макрокинетические характеристики коллективов нанотел и функций распределения н а нотел по параметрам состояния.

Прикладная нанохимия включает в себя:

• Разработка теоретических основ применения наносистем в технике и нанотехн о логии, методов предсказания развития конкретных наносистем в условиях их и с пользования, а также поиск оптимальных способов эксплуатации (техническая н а нохимия).
• Создание теоретических моделей поведения наносистем при синтезе наномат е риалов и поиск оптимальных условий их получения (синтетическая нанохимия).
• Изучение биологических наносистем и создание методов использования нанос и стем в лечебных целях (медицинская нанохимия).
• Разработка теоретических моделей образования и миграции наночастиц в окр у жающей среде и методов очистки природных вод или воздуха от наночастиц (эк о логическая нанохимия).

§5. Методы получения наночастиц

Принципиально все методы синтеза наночастиц можно разделить на две большие группы:

Диспергационные методы , или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца

конденсационные методы , или методы «выращивания» наночастиц из отдельных атомов.

Диспергационные методы

При диспергационных методах исходные тела измельчают до наночастиц. Данный подход к получению наночастиц образно называется некоторыми учеными “подход све р ху вниз” . Это самый простой из всех способов создания наночастиц, своего рода “мяс о рубка” для макротел. Данный метод широко используется в производстве материалов для микроэлектроники, он заключается в уменьшении размеров объектов до нановеличин в пределах возможностей промышленного оборудования и используемого материала. И з мельчать вещество в наночастицы можно не только механически. Российская компания «Передовые порошковые технологии» получает наночастицы, взрывая металлическую нить мощным импульсом тока.

Существуют и более экзотические способы получения наночастиц. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и поместили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действовали как химический во с становитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя наночастицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.

Конденсационные методы

При конденсационных методах (“подход снизу вверх” ) наночастицы получают п у тем объединения отдельных атомов. Метод заключается в том, что в контролируемых у с ловиях происходит формирование ансамблей из атомов и ионов. В результате образуются новые объекты с новыми структурами и, соответственно, с новыми свойствами, которые можно программировать путем изменения условий формирования ансамблей. Этот по д ход облегчает решение проблемы миниатюризации объектов, приближает к решению ряда проблем литографии высокого разрешения, создания новых микропроцессоров, тонких полимерных пленок, новых полупроводников.

§6. Наноматериалы и перспективы их применения

Впервые концепция наноматериалов была сформулирована в 80-х годах XX века Г. Глейтером , который ввел в научный обиход и сам термин – « наноматериал ». Кроме традиционных наноматериалов (таких как химические элементы и соединения, аморфные вещества, металлы и их сплавы) к ним относят нанополупроводники, нанополимеры, н а нопористые материалы, нанопорошки, многочисленные углеродные наноструктуры, н а нобиоматериалы, супрамолекулярные структуры и катализаторы.

Факторами, определяющими уникальные свойства наноматериалов , являются размерные, электронные и квантовые эффекты образующих их наночастиц, а также их очень развитая поверхность. Многочисленными исследованиями показано, что значител ь ные и технически интересные изменения физико-механических свойств наноматериалов (прочность, твердость и т.д.) происходят в интервале размеров частиц от нескольких н а нометров до 100 нм. В настоящее время уже получены многие наноматериалы на основе нитридов и боридов с размером кристаллитов около 1–2 нм и менее.

Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие мат е риалы часто превосходят «обычные» по многим параметрам. Например, прочность мета л ла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5–3 раза, его твердость больше в 50–70 раз, а коррозийная стойкость – в 10–12 раз.

Области применения наноматериалов:

• элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры)
• устройства сверхплотной записи информации
• телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, супе р компьютеры
• видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы
• молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне
• топливные элементы и устройства хранения энергии
• устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы
• нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, эле к трохимия и фармацевтика
• авиационные, космические и оборонные приложения устройства контроля состо я ния окружающей среды
• целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных муск у лов, костей, имплантация живых органов
• биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментарий
• регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Омская область готова развивать нанотехнологии

Развитие нанотехнологий – одно из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Омском регионе.

Так, в Омском филиале Института физики полупроводников СО РАН ведется ра з работка наноэлектроники, а в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН ведутся работы по получению нанопористых углеродных носителей и катализаторов.

Источники информации:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 KB Оснащение урока: Презентация Начало Великой Отечественной войны где используется карта начального периода войны фрагменты документальных фильмов о войне схема о готовности Германии и СССР к войне выставка книг посвященных Великой Отечественной войне...

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Туннельный эффект - квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку.

Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения используются в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более производство DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

Нанохимия - это синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.

Ниже перечислены направления исследований в нанохимии:

• - разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов;
• - изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях. Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.
• - разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.
• - получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.
• - изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.
• - исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.
• - Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий:
• - методологию изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы.
• - новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики;
• - оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия.
• - методологию предотвращения химической деградации технических наноструктур;
• - методики прогноза химической деградации.
• - нанолекарства для терапии и хирургии, препараты на основе гидроксиапатита для стоматологии;
• - способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля.
• - методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;
• - методики регулирования пространственной организации наноструктур.
• - новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.

Нанохимия – это наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации.

Одна из приоритетных задач нанохимии – установление связи между размером наночастицы и ее свойствами.

Объектами исследования нанохимии являются тела с такой массой, что их эквивалентный размер (диаметр сферы, объем которой равен объему тела) остается в пределах наноинтервала (0,1 – 100 нм)

Вследствие расположенности наномира на границах классической физики и квантовой механики его объекты уже нельзя рассматривать как абсолютно одинаковые и статистически неразличимые. Все они индивидуальны, и одна наночастица отличается от другой наночастицы составом, строением и множеством других параметров

Нанохимия находится в стадии быстрого развития, поэтому при её

изучении постоянно возникают вопросы, связанные с понятиями и терминами.

Четкие различия между терминами “кластер”, “наночастица” и “квантовая

точка” пока не сформулированы. Термин “кластер” чаще используют для

более крупных агрегатов атомов и распространен для описания свойств

металлов и углерода. Под понятием “квантовая точка” обычно

подразумеваются частицы полупроводников и островков, где квантовые

ограничения носителей зарядов или экситонов влияют на их свойства.

Теоретическая нанохимия разрабатывает методы расчета поведения нанотел, учитывая такие параметры состояния частиц, как пространственные координаты и скорости, масса, характеристики состава, формы и структуры каждой наночастицы.

Экспериментальная нанохимия развивается в трех направлениях.

1. В рамках первого разрабатываются и используются сверхчувствительные спектральные методы, дающие возможность судить о структуре молекул, включающих десятки и сотни атомов.

2. Второе направление исследует явления при локальных (местных) электрических, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. При этом преследуется цель изучить взаимодействие отдельных молекул газа с нанотелами и нанотел друг с другом, выявить возможность внутримолекулярных перегруппировок без разрушения молекул и с их распадом. Данное направление также интересует возможность «атомной сборки» нанотела нужного габитуса (внешнего вида) при перемещении атомов по поверхности подложки (основного материала, поверхность которого подвергается различным видам обработки, в результате чего образуются слои с новыми свойствами или наращивается плёнка другого материала).

3. В рамках третьего направления определяются макрокинетические характеристики коллективов нанотел и функций их распределения по параметрам состояния.

Прикладная нанохимия включает в себя:

§ разработку теоретических основ применения наносистем в технике и нанотехнологии, методов предсказания развития конкретных наносистем в условиях их использования, а также поиск оптимальных способов эксплуатации (техническая нанохимия );

§ создание теоретических моделей поведения наносистем при синтезе наноматериалов и поиск оптимальных условий их получения (синтетическая нанохимия );

§ изучение биологических наносистем и создание методов использования наносистем в лечебных целях (медицинская нанохимия );

§ разработку теоретических моделей образования и миграции наночастиц в окружающей среде и методов очистки природных вод или воздуха от наночастиц (экологическая нанохимия ).

Медицина и здравоохранение. Получены данные о том, что применение

наноустроиств и наноструктурных поверхностей может на порядок повысить

эффективность анализа в столь трудоемкой области биологии, как расшифровка

генетического кода. Развитие методов определения индивидуальных

генетических особенностей привело к революции в диагностике и лечении

болезней. Помимо оптимизации назначения лекарственных препаратов,

нанотехнология позволила разработать новые методы доставки лекарств к

больным органам, а также значительно увеличить степень их лечебного

воздействия. Достижения нанотехнологий используются в исследованиях по

клеточной биологии и патологии. Развитие новых аналитических методик,

пригодных для работы в нанометровом масштабе, значительно повысило

эффективность исследований химических и механических свойств клеток

(включая деление и движение), а также позволило измерять характеристики

отдельных молекул. Эти новые методики стали существенным дополнением

методик, связанных с исследованием функционирования живых организмов.

Кроме того, регулируемое создание наноструктур приводит к созданию новых

биосовместимых материалов с повышенными характеристиками.

Молекулярные составляющие биологических систем (белки, нуклеиновые10

кислоты, липиды, углеводы и их биологические аналоги) являются примерами

материалов, чья структура и свойства определяются в наномасштабе. Многие

природные наноструктуры и наносистемы образуются при помощи

биологических методов самосборки. Искусственные неорганические и

органические наноматериалы могут вводиться в клетки, использоваться для

диагностики (например, с помощью создания визуализируемых квантовых

«точек») и применяться в качестве их активных компонентов.

Повышение объема памяти и быстродействия ЭВМ с помощью

нанотехнологий позволило перейти к моделированию макромолекулярных

сеток в реальном окружении. Такие расчеты чрезвычайно важны для

разработки биосовместимых трансплантатов и новых типов лекарств.

Перечислим некоторые перспективные применения нанотехнологий в

биологии:

Быстрая и эффективная расшифровка генетических кодов, что

представляет интерес для диагностики и лечения.

Эффективное и более дешевое медицинское обслуживание с

использованием дистанционного управления и устройств, работающих

внутри живых организмов

Новые методы введения и распределения лекарств в организме, что имело

бы большое значение для повышения эффективности лечения (например,

доставка препаратов к определенным местам в организме)

Разработка более стойких и не отторгаемых организмом искусственных

тканей и органов

Разработка сенсорных систем, которые могли бы сигнализировать о

возникновении болезней внутри организма, что позволило бы врачам

заниматься не сколько лечением, сколько диагностикой и

предупреждением заболеваний

Объекты супрамолекулярной химии

Впервые термин «супрамолекулярная химия» был введен в 1978 г.

лауреатом Нобелевской премии французским химиком Жаном-Мари Леном и

определен как «химия, описывающая сложные образования, которые являются

результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе

межмолекулярными силами». Приставка «супра» соответствует русской

приставке «над».

Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия (Supramolecular

chemistry) - междисциплинарная область науки, включающая химические,

физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем

молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством

межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий.

Объектами супрамолекулярной химии являются супрамолекулярные

ансамбли, строящиеся самопроизвольно из комплементарных, т. е. имеющих

геометрическое и химическое соответствие фрагментов, подобно

самопроизвольной сборке сложнейших пространственных структур в живой

клетке. Одной из фундаментальных проблем современной химии является

направленное конструирование таких систем, создание из молекулярных

«строительных блоков» высокоупорядоченных супрамолекулярных соединений

с заданной структурой и свойствами. Супрамолекулярные образования

характеризуются пространственным расположением своих компонентов, их

архитектурой, «супраструктурой», а также типами межмолекулярных

взаимодействий, удерживающих компоненты вместе. В целом

межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что

супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более

лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы.

Дистанционные образовательные курсы являются современной формой эффективного дополнительного образования и повышения квалификации в области подготовки специалистов для развития перспективных технологий получения функциональных и материалов и наноматериалов. Это одна из развивающихся во всем мире перспективных форм современного образования. Особенно актуальна подобная форма получения знаний в такой междисциплинарной области, как наноматериалы и нанотехнологии. Преимуществами дистанционных курсов является их доступность, гибкость в построении образовательных маршрутов, улучшение эффективности и оперативности процесса взаимодействия со слушателями, экономическая эффективность по сравнению с очной формой, которая, тем не менее, может гармонично сочетаться с дистанционной подготовкой. В области фундаментальных основ нанохимии и наноматериалов подготовлены видеоматериалы Научно-образовательного Центра МГУ по нанотехнологиям :

• . Основные понятия и определения наук о наносистемах и нанотехнологий. История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность. Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Принципы и перспективы развития нанотехнологий.
• . Основные принципы формирования наносистем. Физические и химические методы. Процессы получения нанообъектов «сверху — вниз». Классическая, «мягкая», микросферная, ионно-пучковая (FIB), АСМ — литография и наноиндентирование. Механоактивация и механосинтез нанообъектов. Процессы получения нанообъектов «снизу — вверх». Процессы зародышеобразования в газовых и конденсированных средах. Гетерогенное зародышеобразование, эпитаксия и гетероэпитаксия. Спинодальный распад. Синтез нанообъектов в аморфных (стеклообразных) матрицах. Методы химической гомогенизации (соосаждение, золь-гель метод, криохимическая технология, пиролиз аэрозолей, сольвотермальная обработка, сверхкритическая сушка). Классификация наночастиц и нанообъектов. Приемы получения и стабилизации наночастиц. Агрегация и дезагрегация наночастиц. Синтез наноматериалов в одно и двумерных нанореакторах.
• . Статистическая физика наносистем. Особенности фазовых переходов в малых системах. Типы внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Гидрофобность и гидрофильность. Самосборка и самоорганизация. Мицеллообразование. Самособирающиеся монослои. Пленки Лэнгмюра — Блоджетт. Супрамолеклярная организация молекул. Молекулярное распознавание. Полимерные макромолекулы, методы их получения. Самоорганизация в полимерных системах. Микрофазное расслоение блок-сополимеров. Дендримеры, полимерные щетки. Послойная самосборка полиэлектролитов. Супрамолекулярные полимеры.
• . Вещество, фаза, материал. Иерархическое строение материалов. Наноматериалы и их классификация. Неорганические и органические функциональные наноматериалы. Гибридные (органо- неорганические и неоргано-органические) материалы. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурированные 1D, 2D и 3D материалы. Мезопористые материалы. Молекулярные сита. Нанокомпозиты и их синергетические свойства. Конструкционные наноматериалы.
• . Катализ и нанотехнологии. Основные принципы и представления в гетерогенном катализе. Влияние условий приготовления и активации на формирование активной поверхности гетерогенных катализаторов. Структурно-чувствительные и структурно-нечувствительные реакции. Специфика термодинамических и кинетических свойств наночастиц. Электрокатализ. Катализ на цеолитах и молекулярных ситах. Мембранный катализ.
• . Полимеры для конструкционных материалов и для функциональных систем. «Умные» полимерные системы, способные выполнять сложные функции. Примеры «умных» систем (полимерные жидкости для нефтедобычи, умные окна, наноструктурированные мембраны для топливных элементов). Биополимеры как наиболее «умные» системы. Биомиметический подход. Дизайн последовательностей для оптимизации свойств «умных» полимеров. Проблемы молекулярной эволюции последовательностей в биополимерах.
• . Рассматриваются современное состояние и проблемы создания новых материалов для химических источников тока: твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и литиевых аккумуляторов. Анализируются ключевые структурные факторы, влияющие на свойства различных неорганических соединений, которые определяют возможность их применения в качестве электродных материалов: сложных перовскитов в ТОТЭ и соединений переходных металлов (сложных оксидов и фосфатов) в литиевых аккумуляторах. Рассматриваются основные анодные и катодные материалы, применяющиеся в литиевых аккумуляторах и признанные перспективными: их преимущества и ограничения, а также возможности преодоления ограничений направленным изменением атомной структуры и микроструктуры композиционных материалов путем наноструктурирования с целью улучшения характеристик источников тока.

Отдельные вопросы рассмотрены в следующих главах книг (издательство Бином):

Иллюстративные материалы по нанохимии, самосборке и наноструктурированным поверхностям:

Научно - популярные "видеокниги":

Избранные главы нанохимии и функциональные наноматериалы.