Нанохимията е еволюцията на предмета на изследване в химията. Основни направления и концепции на нанохимията

Както беше посочено по-горе, поради местоположението на наносвета на границите на класическата физика и квантовата механика, неговите обекти вече не могат да се считат за абсолютно идентични и статистически неразличими. Всички те са индивидуални и една наночастица се различава от друга по състав, структура и много други параметри (например C 60 и C 70 фулерени). Невъзможно е да се игнорира наличието на нехомогенности и нередности в структурата на даден обект и да се използват средни, интегрални характеристики, за да се опише, както е обичайно в класическата физика. Особеността на нанообектите се състои в това, че техният размер е съизмерим с радиуса на действие на силите на междуатомно взаимодействие, т.е. с разстоянието, на което атомите на тялото трябва да бъдат отстранени, така че тяхното взаимодействие да не повлияе в забележима степен на свойствата му. Поради тази особеност нанотелата взаимодействат помежду си и с околната среда по различен начин от макротелата. Науката, която изучава свойствата на различни наноструктури, както и разработването на нови начини за тяхното получаване, изследване и модифициране, се нарича нанохимия. Той изследва производството и свойствата на различни наносистеми. Наносистемиса набор от тела, заобиколени от газова или течна среда. Такива тела могат да бъдат многоатомни клъстери и молекули, нанокапчици и нанокристали. Това са междинни форми между атомите и макроскопичните тела. Размерът на системите остава в диапазона 0,1-100 nm.

Една от приоритетните задачи на тази област на знанието е да се установи връзка между размера на наночастицата и нейните свойства. В нанохимията ролята на квантови размерни ефекти, предизвикващи промяна в свойствата на веществото в зависимост от размера на частиците и броя на атомите или молекулите в тях. Ролята на размерните ефекти е толкова голяма, че се правят опити за създаване на таблици на зависимостта на свойствата на клъстерите и наночастиците от техния размер и геометрия, подобно на периодичната таблица. Квантовите размерни ефекти определят такива свойства на веществото като топлинен капацитет, електрическа проводимост, някои оптични свойства и т.н.

Промените в характеристиките са свързани с две основни причини: увеличаване на повърхностната фракция и промяна в електронната структура поради квантови ефекти. Свойствата на атомите, разположени близо до повърхността, се различават от свойствата на атомите, разположени в обема на материала; следователно повърхността на частиците може да се разглежда като специално състояние на материята. Колкото по-голям е делът на атомите, разположени на повърхността, толкова по-силни са ефектите, свързани с повърхността (фиг. 9).

Ориз. 9. Промяна в съотношението на "повърхностните" атоми (1) и тези в обема на материала (2) в зависимост от размера на частиците.

Характеристиките на електронната структура на нанообектите се обясняват с подобряването на квантовите свойства, свързани с намаляването на размера. Необичайните свойства на наноструктурите възпрепятстват тяхната тривиална техническа употреба и в същото време отварят напълно неочаквани технически перспективи.

Значителни разлики в свойствата на наночастиците започват да се появяват при размери на частиците под 100 nm. От енергийна гледна точка, намаляването на размера на частиците води до увеличаване на ролята на повърхностната енергия, което води до промяна във физичните и химичните свойства на малките обекти.

Нанохимични изследователски обектиса тела с такава маса, че еквивалентният им размер (диаметърът на сфера, чийто обем е равен на обема на тялото) остава в рамките на наноинтервала (0,1 - 100 nm). Условно нанохимията може да бъде разделена на теоретична, експериментална и приложна (фиг. 10).

Ориз. 10. Структура на нанохимията

Теоретична нанохимияразработва методи за изчисляване на поведението на нанотелата, като взема предвид такива параметри на състоянието на частиците като пространствени координати и скорости, маса, характеристики на състава, форма и структура на всяка наночастица.

Експериментална нанохимиясе развива в три посоки. Като част от първи, което е напълно в съответствие с раздела на аналитичната химия, се разработват и използват свръхчувствителни физични и химични методи, които позволяват да се прецени структурата на молекули и клъстери, включително десетки и стотици атоми. Второнаправление изследва явления при локални (локални) електрически, магнитни или механични въздействия върху нанотела, реализирани с помощта на нанопроби и специални манипулатори. В този случай целта е да се изследва взаимодействието на отделни газови молекули с нанотела и нанотела помежду си, да се разкрие възможността за вътрешни пренареждания без разрушаване на молекули и клъстери и с техния разпад. Тази област също се интересува от възможността за "атомно сглобяване" на нанотяло с желания външен вид, когато атомите се движат по повърхността на субстрата (основния материал, чиято повърхност е подложена на различни видове обработка, водеща до образуването на слоеве с нови свойства или растеж на филм от друг материал). Като част от третипосоките определят макрокинетичните характеристики на колективите на нанотела и техните функции на разпределение според параметрите на състоянието.

Приложна нанохимиявключва: разработването на теоретични основи за използването на наносистеми в инженерството и нанотехнологиите, методи за прогнозиране на развитието на специфични наносистеми в условията на тяхното използване, както и търсене на оптимални методи за работа ( техническа нанохимия); създаване на теоретични модели на поведението на наносистемите по време на синтеза на наноматериали и търсене на оптимални условия за тяхното производство ( синтетична нанохимия); изследване на биологични наносистеми и създаване на методи за използване на наносистеми за медицински цели ( медицинска нанохимия); разработване на теоретични модели за образуване и миграция на наночастици в околната среда и методи за пречистване на природни води или въздух от наночастици ( екологична нанохимия).

Говорейки за размерите на обектите на изследване, трябва да се има предвид, че границите на наноинтервала в химията са условни. Свойствата на тялото са чувствителни към неговия размер в различна степен. Някои от свойствата губят своята специфичност при размер над 10 nm, други – над 100 nm. Следователно, за да се изключат по-малко свойства от разглеждане, се приема, че горната граница на наноинтервала е 100 nm.

В даден интервал всяко свойство зависи конкретно от неговата маса и обем. Следователно обектът на нанохимията може да се счита за обекти, в които взаимодействията всеки атом с всички останали атоми са значими.

Обектите на нанохимията могат да бъдат класифицирани според различни критерии. Например от фазово състояние(Маса 1).

Геометрично(размери) нано-обектите могат да бъдат класифицирани по различни начини. Някои изследователи предлагат да се характеризира размерността на даден обект чрез броя на измеренията, в които обектът има макроскопични размери. Други вземат за основа броя на наноскопичните измервания.

В табл. Таблица 2 изброява основните обекти на нанохимични изследвания (наночастици и съответните им наносистеми).

Класификацията на нанообектите според техните измерения е важна не само от формална гледна точка. Геометрията значително влияе върху техните физикохимични свойства. Нека разгледаме някои от най-приоритетните обекти на нанохимичните изследвания.

Наночастици от атоми на инертни газове. Те са най-простите нанообекти. Атомите на инертните газове с напълно запълнени електронни обвивки взаимодействат слабо един с друг чрез силите на Ван дер Ваалс. При описанието на такива частици се използва моделът на твърдите сфери (фиг. 11). Енергията на свързване, т.е. енергията, изразходвана за отделяне на отделен атом от наночастица, е много малка, така че частиците съществуват при температури не по-високи от 10–100 K.

Ориз. 11. Наночастици от 16 аргонови атома.

Метални наночастици. В метални клъстери от няколко атома могат да се реализират както ковалентни, така и метални видове връзки (фиг. 12). Металните наночастици са силно реактивни и често се използват като катализатори. Металните наночастици могат да приемат правилна форма - октаедър, икосаедър, тетрадекаедър.

Ориз. 12. Наночастици, състоящи се от атоми на платина (бели сфери) и мед (сиви)

Фулерени. Те са кухи отвътре частици, образувани от полиедри от въглеродни атоми, свързани с ковалентна връзка. Особено място сред фулерените заема частица от 60 въглеродни атома - C 60 , наподобяваща микроскопична футболна топка (фиг. 13).

Ориз. 13. Молекула фулерен С 60

Фулерените се използват широко: при създаването на нови смазочни материали и антифрикционни покрития, нови видове горива, ултратвърди диамантени съединения, сензори и бои.

въглеродни нанотръби. Това са кухи молекулярни обекти, състоящи се от приблизително 1 000 000 въглеродни атома и представляващи еднослойни или многослойни тръби с диаметър от 1 до 30 nm и дължина от няколко десетки микрона. На повърхността на нанотръбата въглеродните атоми са разположени във върховете на правилни шестоъгълници (фиг. 14).

Ориз. 14. Въглеродни нанотръби.

Нанотръбите притежават редица уникални свойства, поради които намират широко приложение главно при създаването на нови материали, електрониката и сканиращата микроскопия. Уникалните свойства на нанотръбите: висока специфична повърхност, електрическа проводимост и якост позволяват да се създават ефективни носители на катализатор за различни процеси на тяхна основа. Например нанотръбите се използват за направата на нови източници на енергия - горивни клетки, които могат да издържат многократно по-дълго от обикновените батерии с подобен размер. Например, нанотръбите с паладиеви наночастици могат компактно да съхраняват водород хиляди пъти по-голям от техния обем. По-нататъшното развитие на технологията за горивни клетки ще им позволи да съхраняват стотици и хиляди пъти повече енергия от съвременните батерии.

Йонни клъстери. Те представляват класическа картина, характерна за йонна връзка в кристалната решетка на натриевия хлорид (фиг. 15). Ако една йонна наночастица е достатъчно голяма, тогава нейната структура е близка до тази на масивен кристал. Йонните съединения се използват при създаването на фотографски филми с висока разделителна способност, молекулярни фотодетектори и в различни области на микроелектрониката и електрооптиката.

Ориз. 15. Клъстер NaCl.

фрактални клъстери. Това са обекти с разклонена структура (фиг. 16): сажди, колоиди, различни аерозоли и аерогелове. Фракталът е обект, в който с нарастващо увеличение може да се види как една и съща структура се повтаря в него на всички нива и във всякакъв мащаб.

Фиг.16. фрактален клъстер

Молекулярни клъстери(супрамолекулни системи). Клъстери от молекули. Повечето клъстери са молекулярни. Техният брой и разнообразие е огромно. По-специално, много биологични макромолекули принадлежат към молекулни клъстери (фиг. 17 и 18).

Ориз. 17. Молекулен клъстер от протеин фередоксин.

Ориз. 18. Молекулни клъстери с висок спин

Нанохимия

Химия и фармакология

Нанонауката се обособи като самостоятелна дисциплина едва през последните 7-10 години. Изследването на наноструктурите е обща посока за много класически научни дисциплини. Нанохимията заема едно от водещите места сред тях, тъй като открива почти неограничени възможности за разработване, производство и изследване на...

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ ОМСК ДЪРЖАВЕН ПЕДАГОГИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛТЕТ ПО ХИМИКА И БИОЛОГИЯ
КАТЕДРА ХИМИЯ И МЕТОДИКА НА ОБУЧЕНИЕТО ПО ХИМИЯ

Нанохимия

Изпълнено от: ученик 1-XO Kuklina N.E.

Проверен от: кандидат на химическите науки, доцент Брянски Б.Я.

Омск 2008 г

§1. Историята на формирането на нанонауката…………………………………………………………………3

§2. Основни концепции на нанонауката………………………………………………………………….5

§3. Характеристики на структурата и поведението на някои наночастици…………………………………8

§4. Видове приложна употреба на нанохимията………………………………………….....9

§5. Методи за получаване на наночастици………………………………………………………………..10

§6. Наноматериали и перспективи за тяхното приложение………………………………………...11

Източници на информация…………………………………………………………………………………………………13

§1. Историята на формирането на нанонауката

1905 г Алберт Айнщайн теоретично доказва, че размерът на една захарна молекула е pи вените са 1 нанометър.

1931 г Германските физици Ернст Руска и Макс Нол създадоха електронен микрофонО предоставяне на обхват 10 15 -кратно увеличение.

1932 г Холандският професор Фриц Зернике изобретил фазовия контраст miДа се роскоп вариант на оптичен микроскоп, който подобрява качеството на показване на детайлите на изображениятаА zheniya и изследва живи клетки с негова помощ.

1939 г Siemens, където е работил Ernst Ruska, произвежда първия комерсиален електронен микроскоп с разделителна способност 10 nm.

1966 г Американският физик Ръсел Йънг, който е работил в Националното бюро нан дартс, изобрети двигателя, използван днес при сканиране на тунелни микрофониО обхвати и за позициониране на наноинструменти с точност от 0,01 ангстрьома (1 нанометър = 10 ангстрьома).

1968 г Алфред Чо, изпълнителен вицепрезидент на Bell, и Джон Артър, служител в отдела за изследване на полупроводници, обосноваха теоретичната възможност за използване на нанотехнологии за решаване на проблеми с повърхностната обработка и постигане на атомна точност при създаването на електронни устройства.

1974 г Японският физик Норио Танигучи, който е работил в Токийския университет, предложи термина "нанотехнология" (процесът на разделяне, сглобяване и промяна на майкатаА улавяне чрез излагането им на един атом или една молекула), което бързо придоби популярност в научните среди.

1982 г В изследователския център на IBM Цюрих за физици Герд Биниг и Ген Rich Rohrer създаде сканиращия тунелен микроскоп (STM), който прави възможно изграждането на триизмерна картина на подреждането на атомите върху повърхностите на проводящите материали.

1985 г Трима американски химици: професорът от университета Райс Ричард Смоли, както и Робърт Карл и Харолд Крото откриха молекули фулерени, състоящи сеаз състоящ се от 60 въглеродни атома, подредени под формата на сфера. Тези учени също успяха да измерят обект от 1 nm за първи път.

1986 г Герд Биниг разработи сканираща сонда за атомна сила микронО обхват, който най-накрая направи възможно визуализирането на атомите на всякакви материали (не самоО водещи), както и да ги манипулират.

19871988 г В Научноизследователския институт "Делта" под ръководството на P.N. Лускинович, беше пусната първата руска нанотехнологична инсталация, която извърши насоченото излизане на частици от върха на сондата на микроскопа под въздействието на нагряване.

1989 г Учените Доналд Айглер и Ерхард Швецер от Калифорнийския научен център на IBM успяха да разположат 35 атома ксенон върху никелов кристал с името на тяхната компания.

1991 г Японският професор Сумио Лиджима, който е работил в NEC, ис използва фулерени за създаване на въглеродни тръби (или нанотръби) с диаметър 0,8 nm.

1991 г В САЩ стартира първата нанотехнологична програма на Националната научна фондация. Правителството на Япония също предприе подобни дейности.

1998 г Cees Dekker, холандски професор в Delfts University of Technology, създаде транзистор, базиран на нанотръби. За да направи това, той трябваше да бъде първият в света, който се променид измерване на електрическата проводимост на такава молекула.

2000 г Германският физик Франц Гизибъл видя субатомни частици в силиций. Неговият колега Робърт Магерле предложи технологията за създаване на нанотомография от триР изображение на вътрешната структура на материята с разделителна способност 100 nm.

2000 г Правителството на САЩ откри Националния институт по нанотехнологииИ инициатива (ННИ). Бюджетът на САЩ отдели 270 милиона долара за тази посока, комерсиалнад Руските компании инвестираха 10 пъти повече в него.

2002 г Cees Dekker комбинира въглеродна тръба с ДНК, получавайки един наное ханизъм.

2003 г Професор Фенг Лиу от университета в Юта, използвайки постиженията на Франц Гизибъл, използвайки атомен микроскоп, изгради изображения на орбитите на електроните, като анализира техните смущения, докато се движат около ядрото.

§2. Основни понятия на нанонауката

Нанонауката възниква като самостоятелна дисциплина едва следд не 7-10 години. Изследването на наноструктурите е обща посока за много класически научни дисциплини. Нанохимията заема едно от водещите места сред тях, тъй като открива практически неограничени възможности за разработване, производство и изследване на нови наноматериали с желани свойства, често превъзхождащи по качество естествените материали.

Нанохимия - е наука, която изучава свойствата на различни наночастици T ruktur, както и разработването на нови методи за тяхното производство, изследване и модифициране.

Приоритетната задача на нанохимията еУстановяване на връзка между нанометровия размерА стика и нейните свойства.

Нанохимични изследователски обектиса тела с такава маса, че техният еквивалентИ размерът на валентността остава в рамките на нанообхвата (0,1 100 nm).

Наномащабните обекти заемат междинна позиция между обемните материали, от една страна, и атомите и молекулите, от друга. Наличието на такива b проекти в материалите им дава нови химични и физични свойства. Нанообектите са междинно и свързващо звено между света, в който действат законитеО на квантовата механика и света, в който действат законите на класическата физика.

Характерни размери на обекти от околния свят

Нанохимията изследва производството и свойствата на различни наносистеми.Наносистеми са набор от тела, заобиколени от газова или течна среда. Такива tд Многоатомни клъстери и молекули, нанокапчици и нанокристали могат да се използват като лами. Това са междинни форми между атомите и макроскопичните тела. Размер на системите околос се топи в рамките на 0,1 100 nm.

Класификация на обекти на нанохимията по фазово състояние

Фазово състояние	единични атоми	Клъстери	Наночастици	Компактна материя
Диаметър, nm	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Над 100
Брой атоми	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Над 109

Обхватът на обектите, изучавани от нанохимията, непрекъснато се разширява. Химиците винаги са се опитвали да разберат какви са характеристиките на телата с нанометров размер. Това доведе до бързото развитие на колоидната и макромолекулната химия.

През 80-90-те години на ХХ век, благодарение на методите на електрониката, атомната сила и дрн микроскопия, беше възможно да се наблюдава поведението на метални нанокристали ид органични соли, протеинови молекули, фулерени и нанотръби, а през последните години tА Тези наблюдения станаха широко разпространени.

Обекти на нанохимични изследвания

Наночастици	Наносистеми
Фулерени	Кристали, разтвори
тубулени	Агрегати, разтвори
Протеинови молекули	Разтвори, кристали
полимерни молекули	Солове, гелове
Неорганични нанокристалид същества	Аерозоли, колоидни разтвори, утаяване
Мицели	Колоидни разтвори
Наноблокове	Твърди вещества
Langmuir филми Blodget	Тела с филм на повърхността
Клъстери в газове	Аерозоли
Наночастици в слоеве от различнид същества	Наноструктурирани филми

По този начин могат да се разграничат следните основни характеристики на нанохимията:

1. Геометричните размери на обектите са в нанометрова скала;
2. Проява на нови свойства чрез обекти и техните множества;
3. Възможност за контрол и прецизна манипулация на обекти;
4. Обекти и устройства, сглобени на базата на обекти, получават нови потребители bsky имоти.

§3. Особености на структурата и поведението на някои наночастици

Наночастици от атоми на инертни газовеса най-простите нанообекти b проекти. Атомите на инертните газове с напълно запълнени електронни обвивки взаимодействат слабо един с друг чрез силите на Ван дер Ваалс. При описанието на такива частици се използва моделът на твърдите сфери.

Метални наночастици. В метални клъстери от няколко атома могат да се реализират както ковалентни, така и метални видове връзки. Металните наночастици са силно реактивни и често се използват като катализатор.А тори. Металните наночастици обикновено приемат правилната форма на октаедър, ikosА хедра, тетрадекаедър.

фрактални клъстеритова са предмети с разклонена структура: сажди, кол лоиди, различни аерозоли и аерогелове. Фракталът е такъв обект, в който при увеличаванес уголемяване на топене, можете да видите как същата структура се повтаря в него на всички нива и във всякакъв мащаб.

Молекулярни клъстериклъстери, състоящи се от молекули. Повечето класд ров са молекулярни. Техният брой и разнообразие са огромни. По-специално към молекулитепри Много биологични макромолекули принадлежат към полярни клъстери.

Фулерени са кухи отвътре частици, образувани от полиедрин прякори на въглеродни атоми, свързани с ковалентна връзка. Специално място сред пълнителитед нов, зает от частица от 60 въглеродни атома C 60 наподобяваща микроскопична футболна топка.

Нанотръби това са кухи молекули отвътре, състоящи се от приблизително 1 000 000 atО mov от въглерод и представляващи еднослойни тръби с диаметър около нанометър и дължина няколко десетки микрона. На повърхността на нанотръбите въглеродните атоми са разпръснатиО лежат във върховете на правилните шестоъгълници.

§4. Приложни употреби на нанохимията

Условно нанохимията може да бъде разделена на:

• теоретичен
• експериментален
• Приложено

Теоретична нанохимияразработва методи за изчисляване на поведението на нанотелата, като взема предвид такива параметри на състоянието на частиците като пространствени координати и скоростО sti, маса, характеристики на състава, формата и структурата на всяка наночастица.

Експериментална нанохимиясе развива в три посоки.В рамките на първия разработват се и се използват ултрачувствителни спектрални методи, даЮ които дават възможност да се прецени структурата на молекулите, включително десетки и стотици атоми.В рамките на вторияпосока, явленията се изучават при местни (местни) електричд физически, магнитни или механични въздействия върху нанотела, реализирани с помощта на наносонди и специални манипулатори.Под третияОпределям посоките T макрокинетични характеристики на колективи на нанотела и функции на разпределениеА бележка по параметри на състоянието.

Приложна нанохимиявключва:

• Разработване на теоретични основи за използването на наносистеми в техниката и нанотехнологиитеО ология, методи за прогнозиране на развитието на специфични наносистеми при техните условия ис използване, както и търсенето на оптимални методи на работа (технно никаква химия).
• Създаване на теоретични модели на поведението на наносистемите при синтеза на наноматд риали и търсенето на оптимални условия за получаването им (синтетична нанохимия).
• Изследване на биологични наносистеми и създаване на методи за използване на наносистемиИ стъбла за медицински цели (медицинска нанохимия).
• Разработване на теоретични модели за образуване и миграция на наночастици в околната средапри жизнена среда и методи за пречистване на природни води или въздух от наночастици (напрО логическа нанохимия).

§5. Методи за получаване на наночастици

По принцип всички методи за синтез на наночастици могат да бъдат разделени на две големи групи:

Дисперсионни методи, или методи за получаване на наночастици чрез смилане на конвенционална макропроба

кондензационни методи, или методи за "отглеждане" на наночастици от отделни атоми.

Дисперсионни методи

При дисперсионните методи изходните тела се смилат до наночастици. Този подход за получаване на наночастици някои учени наричат ​​образно„подход отгоре надолу“ . Това е най-простият от всички начини за създаване на наночастици, нещо като „месо“.О сеч” за макротела. Този метод се използва широко в производството на материали за микроелектрониката, той се състои в намаляване на размера на обектите до наноразмер в рамките на възможностите на промишленото оборудване и използвания материал. Ич Възможно е да се смила вещество в наночастици не само механично. Руската компания Advanced Powder Technologies получава наночастици чрез взривяване на метална нишка с мощен токов импулс.

Има и по-екзотични начини за получаване на наночастици. Американски учени през 2003 г. събират микроорганизми от листата на смокиняРодококи и ги постави в златен разтвор. Бактериите действали като химикалс първият, събира чисти наночастици с диаметър около 10 nm от сребърни йони. Изграждайки наночастици, бактериите се чувстваха нормални и продължаваха да се размножават.

Кондензацияметоди

С кондензационни методи („подход отдолу нагоре“) наночастиците получават nпри теми за обединяване на отделни атоми. Методът се състои в това, че при контролиранис условия се формират ансамбли от атоми и йони. В резултат на това се формират нови обекти с нови структури и съответно с нови свойства, които могат да бъдат програмирани чрез промяна на условията за формиране на ансамблите. Този отд Този ход улеснява решаването на проблема с миниатюризацията на обектите, доближава до решаването на редица проблеми на литографията с висока разделителна способност, създаването на нови микропроцесори, тънки полимерни филми и нови полупроводници.

§6. Наноматериали и перспективи за тяхното приложение

Концепцията за наноматериалите е формулирана за първи път през80-те години на ХХ век от Г. Глейтер, който въведе самия термин в научна употреба "наноматериал ". В допълнение към традиционните наноматериали (като химични елементи и съединения, аморфни вещества, метали и техните сплави), те включват нанополупроводници, нанополимери,А порести материали, нанопрахове, множество въглеродни наноструктури,А небиоматериали, надмолекулни структури и катализатори.

Фактори, които определят уникалните свойства на наноматериалите, са размерните, електронните и квантовите ефекти на наночастиците, които ги образуват, както и тяхната много развита повърхност. Многобройни проучвания показват, че b значителни и технически интересни промени във физико-механичните свойства на наноматериалите (якост, твърдост и т.н.) настъпват в диапазона на размера на частиците от няколкоА числа до 100 nm. Понастоящем вече са получени много наноматериали на базата на нитриди и бориди с размер на кристалите около 12 nm и по-малко.

Поради специфичните свойства на наночастиците, лежащи в основата им, такива рогозкид риалите често превъзхождат "обикновените" по много начини. Например силата нал Стоманата, получена чрез нанотехнологии, е 1,5-3 пъти по-здрава от конвенционалната стомана, 50-70 пъти по-твърда и 10-12 пъти по-устойчива на корозия.

Приложения на наноматериали:

• елементи на наноелектрониката и нанофотониката (полупроводникови транзистори и лазери; фотодетектори; слънчеви клетки; различни сензори)
• свръхплътни устройства за запис на информация
• телекомуникации, информационни и изчислителни технологии, суп r компютри
• видео оборудване плоски екрани, монитори, видео проектори
• молекулярни електронни устройства, включително превключватели и електронни схеми на молекулярно ниво
• горивни клетки и устройства за съхранение на енергия
• микро- и наномеханични устройства, включително молекулярни двигатели и наномотори, нанороботи
• нанохимия и катализа, включително контрол на горенето, покритие, електричествоДа се трохимия и фармацевтика
• авиационни, космически и отбранителни приложенияаз заобикаляща среда
• целева доставка на лекарства и протеини, биополимери и заздравяване на биологични тъкани, клинична и медицинска диагностика, създаване на изкуствени мускулипри риболов, кости, имплантиране на живи органи
• биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментация
• регистриране и идентифициране на канцерогенни тъкани, патогени и биологично вредни агенти; безопасност в селското стопанство и производството на храни.

Омска област е готова да развива нанотехнологии

Развитието на нанотехнологиите е една от приоритетните области за развитие на науката, технологиите и инженерството в Омска област.

Така в Омския клон на Института по физика на полупроводниците на Сибирския клон на Руската академияч развитие на наноелектрониката, а в Института по проблеми на преработката на въглеводороди на Сибирския клон на Руската академия на науките се работи за получаване на нанопорести въглеродни носители и катализатори.

Източници на информация:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67KB Оборудване на урока: Презентация Началото на Великата отечествена война, където се използва карта на началния период на войната; фрагменти от документални филми за войната; схема за готовността на Германия и СССР за война; изложба на книги, посветени до Великата отечествена война...

За понятието нанотехнологии може би няма изчерпателна дефиниция, но по аналогия със съществуващите микротехнологии следва, че нанотехнологиите са технологии, които оперират със стойности от порядъка на нанометър. Следователно преходът от „микро“ към „нано“ е качествен преход от манипулирането на материята към манипулирането на отделните атоми. Когато става дума за развитие на нанотехнологиите, има предвид три области: производство на електронни схеми (включително обемни) с активни елементи, сравними по размер с тези на молекулите и атомите; разработване и производство на наномашини; манипулиране на отделни атоми и молекули и сглобяване на макрообекти от тях. Разработките в тези области продължават от дълго време. През 1981 г. е създаден тунелен микроскоп, който позволява прехвърлянето на отделни атоми. Тунелният ефект е квантов феномен на проникване на микрочастица от една класически достъпна зона на движение в друга, отделена от първата с потенциална бариера. Основата на изобретения микроскоп е много остра игла, плъзгаща се върху изследваната повърхност с разстояние по-малко от един нанометър. В този случай електроните от върха на иглата преминават през тази празнина в субстрата.

Въпреки това, в допълнение към изучаването на повърхността, създаването на нов тип микроскоп отвори фундаментално нов начин за формиране на елементи с нанометрови размери. Получени са уникални резултати за движението на атомите, тяхното отстраняване и отлагане в дадена точка, както и локално стимулиране на химичните процеси. Оттогава технологията е значително подобрена. Днес тези постижения се използват в ежедневието: производството на всякакви лазерни дискове и още повече, производството на DVD е невъзможно без използването на нанотехнически методи за контрол.

Нанохимията е синтез на нанодисперсни вещества и материали, регулиране на химичните трансформации на тела с нанометрови размери, предотвратяване на химическо разграждане на наноструктури, методи за лечение на заболявания с помощта на нанокристали.

Следните са областите на изследване в нанохимията:

• - разработване на методи за сглобяване на големи молекули от атоми с помощта на наноманипулатори;
• - изследване на вътрешномолекулни пренареждания на атомите при механични, електрически и магнитни въздействия. Синтез на наноструктури в суперкритични флуидни потоци; разработване на методи за насочено сглобяване с формиране на фрактални, телени, тръбни и колонни наноструктури.
• - развитие на теорията за физическата и химичната еволюция на ултрафините вещества и наноструктури; създаване на начини за предотвратяване на химическо разграждане на наноструктури.
• - получаване на нови нанокатализатори за химическата и нефтохимическата промишленост; изследване на механизма на каталитичните реакции върху нанокристали.
• - изследване на механизмите на нанокристализация в порести среди в акустични полета; синтез на наноструктури в биологични тъкани; разработване на методи за лечение на заболявания чрез формиране на наноструктури в тъкани с патология.
• - изследване на явлението самоорганизация в групи от нанокристали; търсене на нови начини за удължаване на стабилизирането на наноструктурите чрез химични модификатори.
• - Очакваният резултат ще бъде функционална гама от машини, която осигурява:
• - методология за изследване на вътрешномолекулни пренареждания при локални ефекти върху молекулите.
• - нови катализатори за химическата промишленост и лабораторната практика;
• - оксидно-редкоземни и ванадиеви нанокатализатори с широк спектър на действие.
• - методология за предотвратяване на химическо разграждане на технически наноструктури;
• - Методи за прогнозиране на химическото разграждане.
• - нанолекарства за терапия и хирургия, препарати на базата на хидроксиапатит за стоматологията;
• - метод за лечение на онкологични заболявания чрез извършване на интратуморна нанокристализация и прилагане на акустично поле.
• - методи за създаване на наноструктури чрез насочена агрегация на нанокристали;
• - методи за регулиране на пространствената организация на наноструктурите.
• - нови химически сензори с ултрафина активна фаза; методи за повишаване на чувствителността на сензорите чрез химическа модификация.

Нанохимия е наука, която изучава свойствата на различни наноструктури, както и разработването на нови начини за тяхното получаване, изследване и модифициране.

Една от приоритетните задачи на нанохимията е да установи връзката между размера на наночастицата и нейните свойства.

Нанохимични изследователски обекти са тела с такава маса, че еквивалентният им размер (диаметърът на сфера, чийто обем е равен на обема на тялото) остава в рамките на наноинтервала (0,1 - 100 nm)

Поради разположението на наносвета на границата на класическата физика и квантовата механика, неговите обекти вече не могат да се считат за абсолютно идентични и статистически неразличими. Всички те са индивидуални и една наночастица се различава от друга наночастица по състав, структура и много други параметри.

Нанохимията е в етап на бързо развитие, следователно, с нейната

Проучването постоянно повдига въпроси, свързани с понятията и термините.

Ясни разграничения между термините „клъстер“, „наночастица“ и „квант“.

точка” все още не е формулиран. Терминът "клъстер" се използва по-често за

по-големи агрегати от атоми и е обичаен за описание на свойствата

метали и въглерод. Под термина "квантова точка" обикновено е

се имат предвид частици от полупроводници и острови, където квант

ограниченията на носителите на заряд или екситоните влияят на техните свойства.

Теоретична нанохимияразработва методи за изчисляване на поведението на нанотелата, като взема предвид такива параметри на състоянието на частиците като пространствени координати и скорости, маса, характеристики на състава, форма и структура на всяка наночастица.

Експериментална нанохимиясе развива в три посоки.

1. Вътре първи се разработват и използват свръхчувствителни спектрални методи, които позволяват да се съди за структурата на молекулите, включително десетки и стотици атоми.

2. Второ направление изследва явления при локални (локални) електрически, магнитни или механични въздействия върху нанотела, реализирани с помощта на нанопроби и специални манипулатори. В този случай целта е да се изследва взаимодействието на отделни газови молекули с нанотела и нанотела помежду си, за да се разкрие възможността за вътрешномолекулни пренареждания без разрушаване на молекулите и с техния разпад. Тази посока също се интересува от възможността за "атомно сглобяване" на желаното нанотяло хабитус(външен вид), когато атомите се движат по повърхността на субстрата (основния материал, чиято повърхност е подложена на различни видове обработка, което води до образуване на слоеве с нови свойства или растеж на филм от друг материал).

3. Вътре трети посоките определят макрокинетичните характеристики на колективите на нанотела и техните функции на разпределение според параметрите на състоянието.

Приложна нанохимиявключва:

§ разработване на теоретични основи за използването на наносистеми в инженерството и нанотехнологиите, методи за прогнозиране на развитието на специфични наносистеми в условията на тяхното използване, както и търсене на оптимални методи за работа ( техническа нанохимия);

§ създаване на теоретични модели на поведението на наносистемите при синтеза на наноматериали и търсене на оптимални условия за тяхното производство ( синтетична нанохимия);

§ изследване на биологични наносистеми и създаване на методи за използване на наносистеми за медицински цели ( медицинска нанохимия);

§ разработване на теоретични модели за образуване и миграция на наночастици в околната среда и методи за почистване на природни води или въздух от наночастици ( екологична нанохимия).

Медицина и здравеопазване. Има доказателства, че използването

наноустройствата и наноструктурираните повърхности могат да увеличат

ефективност на анализа в такава трудоемка област на биологията като дешифрирането

генетичен код. Разработване на методи за определяне на индивид

генетични черти доведе до революция в диагностиката и лечението

заболявания. В допълнение към оптимизирането на предписването на лекарства,

Нанотехнологиите позволиха разработването на нови методи за доставка на лекарства

болни органи, както и значително да повишат степента на тяхната терапевтичност

въздействие. Постиженията на нанотехнологиите се използват в изследванията на

клетъчна биология и патология. Разработване на нови аналитични методи,

подходящ за работа в нанометров мащаб, значително увеличен

ефективност на изследванията на химичните и механичните свойства на клетките

(включително делене и движение), а също и позволява измерване на характеристиките

отделни молекули. Тези нови техники се превърнаха в значително допълнение

методи, свързани с изследване на функционирането на живите организми.

Освен това контролираното създаване на наноструктури води до създаване на нови

биосъвместими материали с подобрени характеристики.

Молекулярни компоненти на биологични системи (протеини, нуклеинови10

киселини, липиди, въглехидрати и техните биологични двойници) са примери

материали, чиято структура и свойства се определят в наномащаба. много

естествените наноструктури и наносистеми се образуват с помощта на

методи за биологично самосглобяване. изкуствени неорганични и

органични наноматериали могат да бъдат въведени в клетките, използвани за

диагностика (например чрез създаване на визуализирани квантови

"точки") и да се използват като техни активни компоненти.

Увеличаване на обема на паметта и скоростта на компютъра с помощта на

нанотехнологиите направиха възможно да се пристъпи към моделиране на макромолекулни

мрежи в реална среда. Такива изчисления са изключително важни за

разработване на биосъвместими трансплантанти и нови видове лекарства.

Нека изброим някои обещаващи приложения на нанотехнологиите в

биология:

Бързо и ефективно дешифриране на генетични кодове, които

представлява интерес за диагностика и лечение.

Ефективно и по-евтино медицинско обслужване с

с помощта на дистанционно управление и устройства, които работят

вътре в живите организми

Нови методи за прилагане и разпространение на лекарства в тялото, които имаха

би било от голямо значение за подобряване на ефективността на лечението (напр.

доставяне на лекарства до определени места в тялото

Разработване на по-устойчиви и неотхвърлени от тялото изкуствени

тъкани и органи

Развитие на сензорни системи, които могат да сигнализират

появата на заболявания в тялото, което би позволило на лекарите

се занимават не толкова с лечение, колкото с диагностика и

профилактика на болестта

Обекти на супрамолекулната химия

Терминът "супрамолекулна химия" е въведен за първи път през 1978 г.

Нобеловият лауреат, френският химик Жан-Мари Лен и

дефинирана като „химията, която описва сложни образувания, които са

резултат от свързването на два (или повече) химически вида, свързани заедно

междумолекулни сили. Префиксът "supra" съответства на руския

префикс "горе".

Надмолекулярна (супрамолекулна) химия (Supramolecular

химия) е интердисциплинарна област на науката, включително химикали,

физическите и биологичните аспекти на разглеждане са по-сложни от

молекули, химически системи, свързани в едно цяло чрез

междумолекулни (нековалентни) взаимодействия.

Обектите на супрамолекулната химия са надмолекулни

ансамбли, изградени спонтанно от допълващи се, т.е

геометрично и химическо съответствие на фрагменти, като

спонтанно сглобяване на най-сложните пространствени структури в един живот

клетка. Един от основните проблеми на съвременната химия е

насочен дизайн на такива системи, създаване на молекулярни

"градивни елементи" на високо подредени надмолекулни съединения

с дадената структура и свойства. Надмолекулни образувания

характеризиращ се с пространственото разположение на техните компоненти, техните

архитектура, "супраструктура", както и видове междумолекулни

взаимодействия, които държат компонентите заедно. В общи линии

междумолекулните взаимодействия са по-слаби от ковалентните връзки, така че

супрамолекулните асоциати са по-малко термодинамично стабилни, повече

лабилни кинетично и по-гъвкави динамично от молекулите.

Дистанционните образователни курсове са съвременна форма на ефективно допълнително образование и повишаване на квалификацията в областта на обучението на специалисти за разработване на обещаващи технологии за получаване на функционални материали и наноматериали. Това е една от най-обещаващите форми на модерно образование, развиващо се по целия свят. Тази форма на получаване на знания в такава интердисциплинарна област като наноматериалите и нанотехнологиите е особено актуална. Предимствата на дистанционните курсове са тяхната наличност, гъвкавост при изграждане на образователни маршрути, подобряване на ефективността и ефикасността на процеса на взаимодействие с учениците, рентабилност в сравнение с редовното обучение, което въпреки това може хармонично да се комбинира с дистанционно обучение. В областта на основните принципи на нанохимията и наноматериалите са подготвени видео материали на Научно-образователния център на Московския държавен университет по нанотехнологии:

• . Основни понятия и дефиниции на науките за наносистемите и нанотехнологиите. Историята на появата на нанотехнологиите и науките за наносистемите. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност. Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.
• . Основни принципи за формиране на наносистеми. Физични и химични методи. Процеси за получаване на нанообекти „отгоре надолу”. Класическа, "мека", микросфера, йонно-лъчева (FIB), АСМ - литография и наноиндентация. Механоактивация и механосинтез на нанообекти. Процеси за получаване на нанообекти "отдолу нагоре". Нуклеационни процеси в газови и кондензирани среди. Хетерогенна нуклеация, епитаксия и хетероепитаксия. Спинодален колапс. Синтез на нанообекти в аморфни (стъклени) матрици. Химични методи за хомогенизиране (съутаяване, зол-гел метод, криохимична технология, аерозолна пиролиза, солвотермична обработка, суперкритично сушене). Класификация на наночастиците и нанообектите. Техники за получаване и стабилизиране на наночастици. Агрегация и дезагрегация на наночастици. Синтез на наноматериали в едно и двумерни нанореактори.
• . Статистическа физика на наносистемите. Характеристики на фазовите преходи в малки системи. Видове вътрешно- и междумолекулни взаимодействия. хидрофобност и хидрофилност. Самосглобяване и самоорганизация. Мицелизиране. Самосглобени монослоеве. Филми на Лангмюр-Блоджет. Надмолекулна организация на молекулите. Молекулярно разпознаване. Полимерни макромолекули, методи за тяхното получаване. Самоорганизация в полимерни системи. Микрофазово разделяне на блок съполимери. Дендримери, полимерни четки. Послойно самосглобяване на полиелектролити. надмолекулни полимери.
• . Вещество, фаза, материал. Йерархична структура на материалите. Наноматериали и тяхната класификация. Неорганични и органични функционални наноматериали. Хибридни (органо-неорганични и неорганично-органични) материали. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурирани 1D, 2D и 3D материали. мезопорести материали. Молекулярни сита. Нанокомпозити и техните синергични свойства. Структурни наноматериали.
• . Катализа и нанотехнологии. Основни принципи и понятия в хетерогенната катализа. Влияние на условията на получаване и активиране върху формирането на активната повърхност на хетерогенни катализатори. Структурно-чувствителни и структурно-нечувствителни реакции. Специфика на термодинамичните и кинетичните свойства на наночастиците. Електрокатализа. Катализа върху зеолити и молекулни сита. мембранна катализа.
• . Полимери за структурни материали и за функционални системи. „Умни“ полимерни системи, способни да изпълняват сложни функции. Примери за "умни" системи (полимерни течности за производство на нефт, интелигентни прозорци, наноструктурирани мембрани за горивни клетки). Биополимерите като най-"умните" системи. биомиметичен подход. Проектиране на последователност за оптимизиране на свойствата на "умните" полимери. Проблеми на молекулярната еволюция на последователностите в биополимери.
• . Разглеждат се текущото състояние и проблемите на създаването на нови материали за химически източници на ток: твърди оксидни горивни клетки (SOFC) и литиеви батерии. Анализирани са основните структурни фактори, които влияят върху свойствата на различни неорганични съединения, които определят възможността за използването им като електродни материали: сложни перовскити в SOFC и съединения на преходни метали (сложни оксиди и фосфати) в литиеви батерии. Разглеждат се основните анодни и катодни материали, използвани в литиеви батерии и признати за обещаващи: техните предимства и ограничения, както и възможността за преодоляване на ограниченията чрез насочена промяна в атомната структура и микроструктурата на композитните материали чрез наноструктуриране, за да се подобри характеристиките на източниците на ток.

Някои въпроси са разгледани в следните глави на книгите (издателство Бином):

Илюстративни материали за нанохимия, самосглобяване и наноструктурирани повърхности:

Научно-популярни "видеокниги":

Избрани глави от нанохимията и функционалните наноматериали.