Nanohemija je evolucija predmeta istraživanja u hemiji. Glavni pravci i koncepti nanohemije

Kao što je već rečeno, zbog lokacije nanosveta na granicama klasične fizike i kvantne mehanike, njegovi objekti se više ne mogu smatrati apsolutno identičnim i statistički nerazlučivim. Svi su pojedinačni, a jedna nanočestica se razlikuje od druge po sastavu, strukturi i mnogim drugim parametrima (na primjer, C 60 i C 70 fulereni). Nemoguće je zanemariti prisustvo nehomogenosti i nepravilnosti u strukturi objekta i koristiti prosečne, integralne karakteristike za njegovo opisivanje, kao što je uobičajeno u klasičnoj fizici. Posebnost nano-objekata leži u činjenici da je njihova veličina srazmjerna radijusu djelovanja sila međuatomske interakcije, tj. s udaljenosti na kojoj se atomi tijela moraju ukloniti tako da njihova interakcija ne utječe na njegova svojstva u primjetnoj mjeri. Zbog ove karakteristike, nanotela međusobno i sa okolinom deluju drugačije od makrotela. Nauka koja proučava svojstva različitih nanostruktura, kao i razvoj novih načina za njihovo dobijanje, proučavanje i modifikovanje, naziva se nanohemija. Istražuje proizvodnju i svojstva različitih nanosistema. Nanosistemi su skup tijela okruženih plinovitim ili tekućim medijem. Takva tijela mogu biti poliatomski klasteri i molekuli, nanokapljice i nanokristali. To su posredni oblici između atoma i makroskopskih tijela. Veličina sistema ostaje u rasponu od 0,1-100 nm.

Jedan od prioritetnih zadataka ove oblasti znanja je uspostavljanje veze između veličine nanočestice i njenih svojstava. U nanohemiji uloga kvantne efekte veličine, što uzrokuje promjenu svojstava tvari ovisno o veličini čestica i broju atoma ili molekula u njima. Uloga efekata veličine je tolika da se pokušavaju napraviti tabele zavisnosti svojstava klastera i nanočestica o njihovoj veličini i geometriji, slično Periodnom sistemu. Efekti kvantne veličine određuju svojstva tvari kao što su toplinski kapacitet, električna provodljivost, neka optička svojstva itd.

Promjene karakteristika su povezane s dva glavna razloga: povećanjem površinskog udjela i promjenom elektronske strukture zbog kvantnih efekata. Svojstva atoma koji se nalaze blizu površine razlikuju se od svojstava atoma koji se nalaze u masi materijala, pa se površina čestice može smatrati posebnim agregatnim stanjem. Što je veći udio atoma koji se nalaze na površini, to su jači efekti povezani s površinom (slika 9).

Rice. 9. Promjena omjera "površinskih" atoma (1) i onih u masi materijala (2) ovisno o veličini čestica.

Karakteristike elektronske strukture nanoobjekata objašnjavaju se poboljšanjem kvantnih svojstava povezanih sa smanjenjem veličine. Neobična svojstva nanostruktura ometaju njihovu trivijalnu tehničku upotrebu i istovremeno otvaraju potpuno neočekivane tehničke izglede.

Značajne razlike u svojstvima nanočestica počinju da se pojavljuju pri veličinama čestica ispod 100 nm. Sa energetske tačke gledišta, smanjenje veličine čestica dovodi do povećanja uloge površinske energije, što dovodi do promjene fizičkih i kemijskih svojstava malih objekata.

Nanohemijski istraživački objekti su tijela s takvom masom da njihova ekvivalentna veličina (prečnik kugle čija je zapremina jednaka zapremini tijela) ostaje unutar nanointervala (0,1 - 100 nm). Uobičajeno, nanohemija se može podijeliti na teorijsku, eksperimentalnu i primijenjenu (slika 10).

Rice. 10. Struktura nanohemije

Teorijska nanohemija razvija metode za proračun ponašanja nanotijela, uzimajući u obzir parametre stanja čestica kao što su prostorne koordinate i brzine, masa, karakteristike sastava, oblika i strukture svake nanočestice.

Eksperimentalna nanohemija razvija u tri pravca. Kao dio prvo, što je sasvim u skladu sa odeljkom analitičke hemije, razvijaju se i koriste supersenzitivne fizičke i hemijske metode koje omogućavaju procenu strukture molekula i klastera, uključujući desetine i stotine atoma. Sekunda smjer istražuje pojave pod lokalnim (lokalnim) električnim, magnetskim ili mehaničkim djelovanjem na nanotijela, implementirane uz pomoć nanosondi i specijalnih manipulatora. U ovom slučaju, cilj je proučavanje interakcije pojedinačnih molekula plina sa nanotijelima i nanotijelima međusobno, otkrivanje mogućnosti unutrašnjih preuređivanja bez uništavanja molekula i klastera i sa njihovim raspadom. Ovo područje zanima i mogućnost "atomskog sklapanja" nanotijela željenog izgleda kada se atomi kreću po površini supstrata (osnovni materijal čija je površina podvrgnuta različitim vrstama obrade, što rezultira formiranjem slojeva s novim svojstvima ili rast filma od drugog materijala). Kao dio treće pravci određuju makrokinetičke karakteristike kolektiva nanotijela i njihove funkcije distribucije prema parametrima stanja.

Primijenjena nanohemija obuhvata: razvoj teorijskih osnova za upotrebu nanosistema u inženjerstvu i nanotehnologiji, metode za predviđanje razvoja specifičnih nanosistema u uslovima njihove upotrebe, kao i traženje optimalnih metoda rada ( tehnička nanohemija); stvaranje teorijskih modela ponašanja nanosistema tokom sinteze nanomaterijala i traženje optimalnih uslova za njihovu proizvodnju ( sintetička nanohemija); proučavanje bioloških nanosistema i stvaranje metoda za korišćenje nanosistema u medicinske svrhe ( medicinska nanohemija); razvoj teorijskih modela za formiranje i migraciju nanočestica u okolini i metoda za pročišćavanje prirodnih voda ili zraka od nanočestica ( ekološka nanohemija).

Govoreći o veličinama predmeta proučavanja, treba uzeti u obzir da su granice nanointervala u hemiji uslovne. Osobine tijela su osjetljive na njegovu veličinu u različitom stepenu. Neka svojstva gube svoju specifičnost pri veličini većoj od 10 nm, druga - više od 100 nm. Stoga, da bi se iz razmatranja isključilo manje svojstava, pretpostavlja se da je gornja granica nanointervala 100 nm.

U datom intervalu, bilo koje svojstvo posebno zavisi od njegove mase i zapremine. Stoga se objektom nanohemije mogu smatrati objekti u kojima dolazi do interakcija svaki atom sa svim ostalim atomima su značajni.

Nanohemijski objekti se mogu klasifikovati prema različitim karakteristikama. Na primjer, by fazno stanje(Tabela 1).

Geometrijski(dimenzije) nano-objekti se mogu klasifikovati na različite načine. Neki istraživači predlažu da se dimenzionalnost objekta karakteriše brojem dimenzija u kojima objekat ima makroskopske dimenzije. Drugi uzimaju kao osnovu broj nanoskopskih mjerenja.

U tabeli. U tabeli 2 navedeni su glavni objekti nanohemijskih istraživanja (nanočestice i njihovi odgovarajući nanosistemi).

Klasifikacija nanoobjekata prema njihovoj dimenziji važna je ne samo sa formalne tačke gledišta. Geometrija značajno utiče na njihova fizičko-hemijska svojstva. Razmotrimo neke od najprioritetnijih objekata istraživanja nanohemije.

Nanočestice iz atoma inertnih gasova. Oni su najjednostavniji nanoobjekti. Atomi inertnih plinova s ​​potpuno ispunjenim elektronskim omotačima slabo međusobno djeluju putem van der Waalsovih sila. Pri opisu takvih čestica koristi se model tvrdih sfera (slika 11). Energija vezivanja, odnosno energija koja se troši na odvajanje pojedinačnog atoma od nanočestice, vrlo je mala, pa čestice postoje na temperaturama ne većim od 10-100 K.

Rice. 11. Nanočestice od 16 atoma argona.

Metalne nanočestice. U metalnim klasterima od nekoliko atoma mogu se realizovati i kovalentne i metalne veze (slika 12). Metalne nanočestice su visoko reaktivne i često se koriste kao katalizatori. Metalne nanočestice mogu poprimiti ispravan oblik - oktaedar, ikosaedar, tetradekaedar.

Rice. 12. Nanočestice koje se sastoje od atoma platine (bijele sfere) i bakra (siva)

Fullereni. To su čestice šuplje iznutra, formirane od poliedara atoma ugljika vezanih kovalentnom vezom. Posebno mjesto među fulerenima zauzima čestica od 60 atoma ugljika - C 60 , nalik na mikroskopsku fudbalsku loptu (Sl. 13).

Rice. 13. Molekul fulerena C 60

Fulereni se široko koriste: u stvaranju novih maziva i premaza protiv trenja, novih vrsta goriva, ultra-tvrdih dijamantskih spojeva, senzora i boja.

ugljične nanocijevi. To su šuplji molekularni objekti koji se sastoje od približno 1.000.000 atoma ugljika i predstavljaju jednoslojne ili višeslojne cijevi promjera od 1 do 30 nm i dužine od nekoliko desetina mikrona. Na površini nanocijevi atomi ugljika se nalaze na vrhovima pravilnih šesterokuta (slika 14).

Rice. 14. Ugljične nanocijevi.

Nanocijevi imaju niz jedinstvenih svojstava, zbog kojih se široko koriste uglavnom u stvaranju novih materijala, elektronike i skenirajuće mikroskopije. Jedinstvena svojstva nanocevi: visoka specifična površina, električna provodljivost i čvrstoća omogućavaju stvaranje efikasnih nosača katalizatora za različite procese na njihovoj osnovi. Na primjer, nanocijevi se koriste za stvaranje novih izvora energije – gorivnih ćelija koje mogu trajati višestruko duže od jednostavnih baterija slične veličine. Na primjer, nanocijevi s nanočesticama paladija mogu kompaktno skladištiti vodonik hiljadama puta veći od volumena. Dalji razvoj tehnologije gorivnih ćelija omogućit će im da skladište stotine i hiljade puta više energije od modernih baterija.

Jonski klasteri. Oni predstavljaju klasičnu sliku karakterističnu za ionsku vezu u kristalnoj rešetki natrijum hlorida (slika 15). Ako je ionska nanočestica dovoljno velika, tada je njena struktura bliska strukturi velikog kristala. Jonska jedinjenja se koriste u stvaranju fotografskih filmova visoke rezolucije, molekularnih fotodetektora, te u raznim poljima mikroelektronike i elektrooptike.

Rice. 15. NaCl klaster.

fraktalni klasteri. To su objekti razgranate strukture (slika 16): čađ, koloidi, razni aerosoli i aerogelovi. Fraktal je objekat u kojem se sa povećanjem uvećanja može vidjeti kako se ista struktura u njemu ponavlja na svim nivoima i na bilo kojoj skali.

Fig.16. fraktalni klaster

Molekularni klasteri(supramolekularni sistemi). Klasteri molekula. Većina klastera je molekularna. Njihov broj i raznolikost je ogroman. Konkretno, mnoge biološke makromolekule pripadaju molekularnim klasterima (slike 17 i 18).

Rice. 17. Molekularni klaster proteina feredoksina.

Rice. 18. Molekularni klasteri sa visokim spinom

Nanohemija

Hemija i farmakologija

Nanoznanost se kao samostalna disciplina pojavila tek u posljednjih 7-10 godina. Proučavanje nanostruktura uobičajen je pravac za mnoge klasične naučne discipline. Nanohemija zauzima jedno od vodećih mjesta među njima, jer otvara gotovo neograničene mogućnosti za razvoj, proizvodnju i istraživanje...

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE DRŽAVNI PEDAGOŠKI UNIVERZITET OMSK HEMIJSKI I BIOLOŠKI FAKULTET
KATEDRA ZA HEMIJU I METODIKA NASTAVE HEMIJE

Nanohemija

Izvršio: student 1-XO Kuklina N.E.

Provjerio: kandidat hemijskih nauka, vanredni profesor Bryansky B.Ya.

Omsk 2008

§1. Istorija nastanka nanonauke…………………………………………………………………………3

§2. Osnovni koncepti nanoznanosti………………………………………………………………………….5

§3. Osobine strukture i ponašanja nekih nanočestica………………………………8

§4. Vrste primijenjene upotrebe nanohemije………………………………………………..9

§5. Metode za dobivanje nanočestica…………………………………………………………………………..10

§6. Nanomaterijali i izgledi za njihovu primjenu……………………………………………...11

Izvori informacija……………………………………………………………………………………………………………13

§1. Istorija nastanka nanonauke

1905 Albert Einstein je teoretski dokazao da je veličina molekula šećera p a vene su 1 nanometar.

1931 Njemački fizičari Ernst Ruska i Max Knoll kreirali su elektronski mikrofon O obim koji obezbeđuje 10 15 - puta povećanje.

1932 Holandski profesor Fritz Zernike izumio je fazno-kontrast mi To roscope varijanta optičkog mikroskopa koja je poboljšala kvalitetu prikaza detalja slika A zheniya, i uz njegovu pomoć istraživao žive ćelije.

1939 Siemens, gde je radio Ernst Ruska, proizveo je prvi komercijalni elektronski mikroskop sa rezolucijom od 10 nm.

1966 Američki fizičar Russell Young, koji je radio u Nacionalnom birou n pikado, izumio motor koji se danas koristi u mikrofonima za skeniranje tunela O opsege i za pozicioniranje nanoalata sa tačnošću od 0,01 angstrema (1 nanometar = 10 angstrema).

1968 Alfred Cho, izvršni potpredsjednik Bella, i John Arthur, zaposlenik njegovog odjela za istraživanje poluvodiča, potkrijepili su teorijsku mogućnost korištenja nanotehnologija za rješavanje problema površinske obrade i postizanje atomske preciznosti u stvaranju elektronskih uređaja.

1974 Japanski fizičar Norio Taniguchi, koji je radio na Univerzitetu u Tokiju, predložio je termin "nanotehnologija" (proces razdvajanja, sklapanja i promjene majke A hvatanje izlaganjem jednom atomu ili jednom molekulu), što je brzo steklo popularnost u naučnim krugovima.

1982 U IBM Zurich istraživačkom centru za fizičare Gerd Binnig i Ge n Rich Rohrer kreirao je skenirajući tunelski mikroskop (STM), koji omogućava izgradnju trodimenzionalne slike rasporeda atoma na površinama provodnih materijala.

1985 Tri američka hemičara: profesor sa Univerziteta Rice Richard Smalley, kao i Robert Carl i Harold Kroto otkrili su molekule fulerena koji se sastoje od I koji se sastoji od 60 atoma ugljika raspoređenih u obliku kugle. Ovi naučnici su takođe po prvi put bili u mogućnosti da izmere objekat od 1 nm.

1986 Gerd Binnig je razvio skenirajuću sondu atomske sile mikro O opseg, koji je konačno omogućio vizualizaciju atoma bilo kojeg materijala (ne samo O vodeći), kao i manipulisati njima.

19871988 U Istraživačkom institutu "Delta" pod rukovodstvom P.N. Luskinoviča, pokrenuta je prva ruska nanotehnološka instalacija koja je vršila usmjereno odstupanje čestica sa vrha sonde mikroskopa pod utjecajem zagrijavanja.

1989 Naučnici Donald Eigler i Erhard Schwetzer iz kalifornijskog IBM naučnog centra uspjeli su da polože 35 atoma ksenona na kristal nikla sa imenom svoje kompanije.

1991 Japanski profesor Sumio Lijima, koji je radio u NEC-u, i With koristili fulerene za stvaranje karbonskih cijevi (ili nanocijevi) promjera 0,8 nm.

1991 U SAD je pokrenut prvi program nanotehnologije Nacionalne naučne fondacije. Vlada Japana je također poduzela slične aktivnosti.

1998 Cees Dekker, holandski profesor na Tehnološkom univerzitetu Delfts, kreirao je tranzistor baziran na nanocijevi. Da bi to učinio, morao je biti prvi na svijetu koji se promijenio e izmjeriti električnu provodljivost takvog molekula.

2000 Njemački fizičar Franz Gissible vidio je subatomske čestice u silicijumu. Njegov kolega Robert Magerle predložio je tehnologiju stvaranja tri nanotomografije R slika unutrašnje strukture materije sa rezolucijom od 100 nm.

2000 Vlada SAD otvorila je Nacionalni institut za nanotehnologiju I inicijativa (NNI). Za ovaj pravac, komercijalni, američki budžet izdvojio je 270 miliona dolara e Ruske kompanije su u njega uložile 10 puta više.

2002 Cees Dekker je kombinirao karbonsku cijev sa DNK, dobivši jedan nano je hanizam.

2003 Profesor Feng Liu sa Univerziteta Utah, koristeći dostignuća Franza Gissiblea, koristeći atomski mikroskop, napravio je slike orbita elektrona analizirajući njihove perturbacije dok se kreću oko jezgra.

§2. Osnovni koncepti nanoznanosti

Nanoznanost se kao samostalna disciplina pojavila tek nakon toga d ne 7-10 godina. Proučavanje nanostruktura uobičajen je pravac za mnoge klasične naučne discipline. Nanohemija zauzima jedno od vodećih mjesta među njima, jer otvara praktički neograničene mogućnosti za razvoj, proizvodnju i istraživanje novih nanomaterijala željenih svojstava, često superiornijih u kvaliteti u odnosu na prirodne materijale.

nanohemija - je nauka koja proučava svojstva različitih nanočestica T ruktur, kao i razvoj novih metoda za njihovu proizvodnju, proučavanje i modifikaciju.

Prioritetni zadatak nanohemije jeUspostavljanje veze između nanometarske veličine A sticija i njena svojstva.

Nanohemijski istraživački objektisu tijela sa takvom masom da je njihov ekvivalent I veličina valencije ostaje unutar nanorange (0,1 100 nm).

Objekti nanorazmjere zauzimaju međupoziciju između masivnih materijala s jedne strane i atoma i molekula s druge strane. Prisustvo takvih b projekti u materijalima daje im nova hemijska i fizička svojstva. Nanoobjekti su posredna i povezujuća karika između svijeta u kojem vladaju zakoni O ny kvantne mehanike, i svijet u kojem djeluju zakoni klasične fizike.

Karakteristične veličine objekata okolnog svijeta

Nanohemija istražuje proizvodnju i svojstva različitih nanosistema. Nanosistemi su skup tijela okruženih plinovitim ili tekućim medijem. Takve t e Poliatomski klasteri i molekuli, nanokapljice i nanokristali mogu se koristiti kao lame. To su posredni oblici između atoma i makroskopskih tijela. Veličina sistema oko With topi unutar 0,1 100 nm.

Klasifikacija objekata nanohemije prema faznom stanju

Fazno stanje	pojedinačni atomi	Klasteri	Nanočestice	Kompaktna materija
Prečnik, nm	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Preko 100
Broj atoma	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Preko 10 9

Opseg predmeta koje proučava nanohemija stalno se širi. Hemičari su oduvijek nastojali razumjeti koje su karakteristike tijela nanometarske veličine. To je dovelo do brzog razvoja koloidne i makromolekularne hemije.

80-90-ih godina XX veka, zahvaljujući metodama elektronske, atomske sile i n mikroskopijom, bilo je moguće posmatrati ponašanje metalnih nanokristala i e organske soli, proteinske molekule, fulerene i nanocijevi, a posljednjih godina t A Ova zapažanja su postala široko rasprostranjena.

Objekti nanohemijskih istraživanja

Nanočestice	Nanosistemi
Fullereni	Kristali, rješenja
tubuleni	Agregati, rješenja
Proteinski molekuli	Rešenja, kristali
molekule polimera	Solovi, gelovi
Neorganski nanokristali e stvorenja	Aerosoli, koloidne otopine, precipitacije
Micele	Koloidne otopine
Nanoblokovi	Čvrste materije
Langmuir snima Blodget	Tijela sa filmom na površini
Klasteri u gasovima	Aerosoli
Nanočestice u slojevima raznih e stvorenja	Nanostrukturirani filmovi

Dakle, mogu se razlikovati sljedeće glavne karakteristike nanohemije:

1. Geometrijske dimenzije objekata leže na nanometarskoj skali;
2. Manifestacija novih svojstava po objektima i njihovim skupovima;
3. Mogućnost kontrole i precizne manipulacije objektima;
4. Objekti i uređaji sastavljeni na osnovu objekata dobijaju nove potrošače bsky properties.

§3. Osobine strukture i ponašanja nekih nanočestica

Nanočestice iz atoma inertnih gasovasu najjednostavniji nanoobjekti b projekti. Atomi inertnih plinova s ​​potpuno ispunjenim elektronskim omotačima slabo međusobno djeluju putem van der Waalsovih sila. Prilikom opisivanja takvih čestica koristi se model tvrdih sfera.

Metalne nanočestice. U metalnim klasterima od nekoliko atoma mogu se realizovati i kovalentne i metalne veze. Metalne nanočestice su visoko reaktivne i često se koriste kao kataliza. A tori. Metalne nanočestice obično poprimaju pravilan oblik oktaedra, ikos A hedra, tetradekaedar.

fraktalni klasterito su objekti razgranate strukture: čađ, co l loidi, razni aerosoli i aerogelovi. Fraktal je takav objekt u kojem se, kada se povećava With topljenjem, možete vidjeti kako se ista struktura u njemu ponavlja na svim nivoima i na bilo kojoj skali.

Molekularni klasteriklasteri koji se sastoje od molekula. Most clast e ditch su molekularni. Njihov broj i raznolikost su ogromni. Posebno na molekule at Mnoge biološke makromolekule pripadaju polarnim klasterima.

Fullereni su šuplje unutarnje čestice koje formiraju poliedari n nadimci atoma ugljika povezanih kovalentnom vezom. Posebno mjesto među punimcima e nova zauzeta česticom od 60 atoma ugljika C 60 nalik na mikroskopsku fudbalsku loptu.

Nanocijevi to su šuplji molekuli iznutra, koji se sastoje od otprilike 1.000.000 at O mov ugljika i predstavljaju jednoslojne cijevi prečnika oko nanometra i dužine od nekoliko desetina mikrona. Na površini nanocijevi atomi ugljika su raspršeni O leže na vrhovima pravilnih šestouglova.

§4. Primijenjena upotreba nanohemije

Uobičajeno, nanohemija se može podijeliti na:

• teorijski
• eksperimentalni
• Primijenjeno

Teorijska nanohemijarazvija metode za izračunavanje ponašanja nanotijela, uzimajući u obzir parametre stanja čestica kao što su prostorne koordinate i brzina O sti, masa, karakteristike sastava, oblika i strukture svake nanočestice.

Eksperimentalna nanohemijarazvija u tri pravca. U okviru prvog ultraosjetljive spektralne metode se razvijaju i koriste, da Yu koji daju priliku da se sudi o strukturi molekula, uključujući desetine i stotine atoma.U okviru drugogsmjeru, fenomeni se proučavaju na lokalnom (lokalnom) električnom e fizički, magnetski ili mehanički utjecaji na nanotijela realizovani uz pomoć nanosondi i specijalnih manipulatora.Ispod trećegJa definišem pravce T makrokinetičke karakteristike kolektiva nanotijela i funkcije distribucije A bilješka po parametrima stanja.

Primijenjena nanohemija uključuje:

• Razvoj teorijskih osnova za upotrebu nanosistema u inženjerstvu i nanotehnologiji O ologiju, metode za predviđanje razvoja specifičnih nanosistema u njihovim uslovima i With upotrebu, kao i traženje optimalnih metoda rada (tehničkih ali nohemija).
• Izrada teorijskih modela ponašanja nanosistema u sintezi nanomat e rijala i traženje optimalnih uslova za njihovu proizvodnju (sintetička nanohemija).
• Proučavanje bioloških nanosistema i stvaranje metoda za korišćenje nanosistema I stabljike u medicinske svrhe (medicinska nanohemija).
• Razvoj teorijskih modela za formiranje i migraciju nanočestica u životnoj sredini at životno okruženje i metode prečišćavanja prirodnih voda ili zraka od nanočestica (npr O logička nanohemija).

§5. Metode za dobijanje nanočestica

U principu, sve metode za sintezu nanočestica mogu se podijeliti u dvije velike grupe:

Metode disperzije, ili metode za dobijanje nanočestica mlevenjem konvencionalnog makrouzorka

metode kondenzacije, ili metode "uzgajanja" nanočestica iz pojedinačnih atoma.

Metode disperzije

Kod metoda disperzije, početna tijela se melju u nanočestice. Ovaj pristup dobijanju nanočestica neki naučnici figurativno nazivaju“pristup odozgo prema dolje” . Ovo je najjednostavniji od svih načina za stvaranje nanočestica, svojevrsnog "mesa". O sječa” za makrotijela. Ova metoda se široko koristi u proizvodnji materijala za mikroelektroniku, sastoji se u smanjenju veličine objekata na nanorazmjeru u okviru mogućnosti industrijske opreme i materijala koji se koristi. I h Moguće je samljeti supstancu u nanočestice ne samo mehanički. Ruska kompanija Advanced Powder Technologies dobija nanočestice eksplozijom metalne niti snažnim strujnim impulsom.

Postoje i egzotičniji načini za dobijanje nanočestica. Američki naučnici su 2003. godine sakupili mikroorganizme iz lišća smokve Rhodococcus i stavio ih u zlatnu otopinu. Bakterije su djelovale kao kemikalija With prvi, sakupljajući čiste nanočestice prečnika oko 10 nm od srebrnih jona. Gradeći nanočestice, bakterije su se osjećale normalno i nastavile su se razmnožavati.

Kondenzacija metode

Sa kondenzacijskim metodama (“pristup odozdo prema gore”) nanočestice dobijaju n at teme ujedinjenja pojedinačnih atoma. Metoda leži u činjenici da u kontrolisanom With uslovima formiraju se ansambli atoma i jona. Kao rezultat, formiraju se novi objekti s novim strukturama i, shodno tome, s novim svojstvima koja se mogu programirati promjenom uslova za formiranje ansambala. Ovaj do d Ovaj potez olakšava rješavanje problema minijaturizacije objekata, približava rješavanju niza problema litografije visoke rezolucije, stvaranju novih mikroprocesora, tankih polimernih filmova i novih poluvodiča.

§6. Nanomaterijali i izgledi za njihovu primjenu

Koncept nanomaterijala je prvi put formulisan u80-ih godina XX vijeka G. Gleitera, koji je sam termin uveo u naučnu upotrebu" nanomaterijala ". Pored tradicionalnih nanomaterijala (kao što su hemijski elementi i jedinjenja, amorfne supstance, metali i njihove legure), oni uključuju nano-poluprovodnike, nanopolimere, A porozni materijali, nanopraškovi, brojne ugljične nanostrukture, A nobiomaterijali, supramolekularne strukture i katalizatori.

Faktori koji određuju jedinstvena svojstva nanomaterijala, su dimenzionalni, elektronski i kvantni efekti nanočestica koje ih formiraju, kao i njihova vrlo razvijena površina. Brojne studije su pokazale da je b značajne i tehnički zanimljive promjene u fizičko-mehaničkim svojstvima nanomaterijala (čvrstoća, tvrdoća, itd.) javljaju se u rasponu veličine čestica od nekoliko A brojevi do 100 nm. Trenutno su već dobiveni mnogi nanomaterijali na bazi nitrida i borida veličine kristalita od oko 12 nm i manje.

Zbog specifičnih svojstava nanočestica koje se nalaze u njihovoj osnovi, takve prostirke e rijali su često superiorniji od "običnih" na mnogo načina. Na primjer, snaga l Čelik dobijen nanotehnologijom je 1,5-3 puta jači od konvencionalnog čelika, 50-70 puta tvrđi i 10-12 puta otporniji na koroziju.

Primjena nanomaterijala:

• elementi nanoelektronike i nanofotonike (poluprovodnički tranzistori i laseri; fotodetektori; solarne ćelije; razni senzori)
• uređaji za snimanje ultra gustih informacija
• telekomunikacije, informacione i računarske tehnologije, supe r kompjuteri
• video oprema ravni ekrani, monitori, video projektori
• molekularni elektronski uređaji, uključujući prekidače i elektronska kola na molekularnom nivou
• gorivne ćelije i uređaji za skladištenje energije
• mikro- i nanomehanički uređaji, uključujući molekularne motore i nanomotore, nanorobote
• nanohemija i kataliza, uključujući kontrolu sagorevanja, premazivanje, električnu energiju To trohemija i farmacija
• primjene u avijaciji, svemiru i odbrani I okruženje
• ciljana dostava lijekova i proteina, biopolimeri i zacjeljivanje biološkog tkiva, klinička i medicinska dijagnostika, stvaranje umjetnih mišića at ribolov, kosti, implantacija živih organa
• biomehanika, genomika, bioinformatika, bioinstrumentacija
• registracija i identifikacija kancerogenih tkiva, patogena i biološki štetnih agenasa; sigurnost u poljoprivredi i proizvodnji hrane.

Omska regija je spremna za razvoj nanotehnologije

Razvoj nanotehnologija jedno je od prioritetnih područja za razvoj nauke, tehnologije i inženjerstva u Omskoj regiji.

Tako je u Omskom ogranku Instituta za fiziku poluprovodnika Sibirskog ogranka Ruske akademije h razvoju nanoelektronike, a u Institutu za probleme prerade ugljovodonika Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka u toku su radovi na dobijanju nanoporoznih nosača i katalizatora ugljika.

Izvori informacija:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67KB Oprema za nastavu: Prezentacija Početak Velikog domovinskog rata, gdje se koristi mapa početnog perioda rata; fragmenti dokumentarnih filmova o ratu; šema o spremnosti Njemačke i SSSR-a za rat; izložba knjiga posvećenih do Velikog domovinskog rata...

Za pojam nanotehnologije, možda, ne postoji iscrpna definicija, ali po analogiji sa postojećim mikrotehnologijama, proizlazi da su nanotehnologije tehnologije koje rade na vrijednostima reda nanometra. Stoga je prijelaz iz "mikro" u "nano" kvalitativni prijelaz sa manipulacije materijom na manipulaciju pojedinačnim atomima. Kada je u pitanju razvoj nanotehnologija, tri su oblasti na umu: proizvodnja elektronskih kola (uključujući i volumetrijske) sa aktivnim elementima uporedivim po veličini sa molekulama i atomima; razvoj i proizvodnja nanomašina; manipulacija pojedinačnim atomima i molekulama i sastavljanje makro objekata od njih. Razvoj u ovim oblastima traje već duže vreme. Godine 1981. stvoren je tunelski mikroskop koji omogućava prijenos pojedinačnih atoma. Efekt tunela je kvantni fenomen prodiranja mikročestice iz jednog klasično dostupnog područja kretanja u drugo, odvojeno od prvog potencijalnom barijerom. Osnova izumljenog mikroskopa je vrlo oštra igla koja klizi po površini koja se proučava s razmakom manjim od jednog nanometra. U ovom slučaju, elektroni iz vrha iglenog tunela kroz ovaj razmak ulaze u supstrat.

Međutim, osim proučavanja površine, stvaranje novog tipa mikroskopa otvorilo je fundamentalno novi način za formiranje elemenata veličine nanometara. Dobijeni su jedinstveni rezultati o kretanju atoma, njihovom uklanjanju i taloženju u datoj tački, kao i lokalnoj stimulaciji hemijskih procesa. Od tada je tehnologija znatno poboljšana. Danas se ova dostignuća koriste u svakodnevnom životu: proizvodnja bilo kakvih laserskih diskova, a još više, proizvodnja DVD-a nemoguća je bez upotrebe nanotehničkih metoda kontrole.

Nanohemija je sinteza nanodisperznih supstanci i materijala, regulisanje hemijskih transformacija nanometarskih tela, sprečavanje hemijske degradacije nanostruktura, metode lečenja bolesti korišćenjem nanokristala.

Sljedeća su područja istraživanja u nanohemiji:

• - razvoj metoda za sklapanje velikih molekula iz atoma pomoću nanomanipulatora;
• - proučavanje intramolekularnog preuređivanja atoma pod mehaničkim, električnim i magnetskim utjecajima. Sinteza nanostruktura u superkritičnim tokovima fluida; razvoj metoda usmjerenog sklapanja sa formiranjem fraktalnih, žičanih, cjevastih i stupastih nanostruktura.
• - razvoj teorije fizičke i hemijske evolucije ultrafinih supstanci i nanostruktura; stvaranje načina za sprečavanje hemijske degradacije nanostruktura.
• - dobijanje novih nanokatalizatora za hemijsku i petrohemijsku industriju; proučavanje mehanizma katalitičkih reakcija na nanokristalima.
• - proučavanje mehanizama nanokristalizacije u poroznim medijima u akustičnim poljima; sinteza nanostruktura u biološkim tkivima; razvoj metoda za liječenje bolesti formiranjem nanostruktura u tkivima sa patologijom.
• - proučavanje fenomena samoorganizacije u grupama nanokristala; traženje novih načina za produženje stabilizacije nanostruktura hemijskim modifikatorima.
• - Očekivani rezultat će biti funkcionalan asortiman mašina koji obezbeđuje:
• - metodologija za proučavanje intramolekularnih preuređivanja pod lokalnim efektima na molekule.
• - novi katalizatori za hemijsku industriju i laboratorijsku praksu;
• - oksidno-rijetkozemni i vanadijumski nanokatalizatori širokog spektra djelovanja.
• - metodologija za sprečavanje hemijske degradacije tehničkih nanostruktura;
• - Metode za predviđanje hemijske degradacije.
• - nanolijekovi za terapiju i hirurgiju, preparati na bazi hidroksiapatita za stomatologiju;
• - metoda za liječenje onkoloških bolesti provođenjem intratumoralne nanokristalizacije i primjenom akustičnog polja.
• - metode za stvaranje nanostruktura usmjerenim agregacijom nanokristala;
• - metode za regulisanje prostorne organizacije nanostruktura.
• - novi hemijski senzori sa ultrafinom aktivnom fazom; metode za povećanje osjetljivosti senzora kemijskom modifikacijom.

Nanohemija je nauka koja proučava svojstva različitih nanostruktura, kao i razvoj novih načina za njihovo dobijanje, proučavanje i modifikovanje.

Jedan od prioritetnih zadataka nanohemije je uspostavljanje veze između veličine nanočestice i njenih svojstava.

Nanohemijski istraživački objekti su tijela takve mase da njihova ekvivalentna veličina (prečnik kugle, čija je zapremina jednaka zapremini tijela) ostaje unutar nanointervala (0,1 - 100 nm)

Zbog položaja nanosveta na granicama klasične fizike i kvantne mehanike, njegovi objekti se više ne mogu smatrati apsolutno identičnim i statistički nerazlučivim. Svi su pojedinačni, a jedna nanočestica se razlikuje od druge po sastavu, strukturi i mnogim drugim parametrima.

Nanohemija je u fazi naglog razvoja, dakle, sa svojim

Studija stalno postavlja pitanja vezana za pojmove i pojmove.

Jasne razlike između pojmova "klaster", "nanočestica" i "kvant".

tačka” još nije formulisana. Termin "klaster" se češće koristi za

veće agregate atoma i uobičajeno je za opisivanje svojstava

metala i ugljenika. Pod pojmom "kvantna tačka" se obično

misli se na čestice poluprovodnika i ostrva, gde je kvantna

ograničenja nosilaca naboja ili eksitona utiču na njihova svojstva.

Teorijska nanohemija razvija metode za proračun ponašanja nanotijela, uzimajući u obzir parametre stanja čestica kao što su prostorne koordinate i brzine, masa, karakteristike sastava, oblika i strukture svake nanočestice.

Eksperimentalna nanohemija razvija u tri pravca.

1. Unutar prvo razvijaju se i koriste superosjetljive spektralne metode koje omogućavaju procjenu strukture molekula, uključujući desetine i stotine atoma.

2. Drugo smjer istražuje pojave pod lokalnim (lokalnim) električnim, magnetskim ili mehaničkim djelovanjem na nanotijela, implementirane uz pomoć nanosondi i specijalnih manipulatora. U ovom slučaju, cilj je proučavanje interakcije pojedinačnih molekula plina s nanotijelima i nanotijelima međusobno, otkrivanje mogućnosti unutarmolekulskih preuređivanja bez uništavanja molekula i sa njihovim raspadom. Ovaj pravac zanima i mogućnost "atomskog sastavljanja" nanotijela željenog habitus(izgled) kada se atomi kreću po površini supstrata (osnovni materijal čija je površina podvrgnuta različitim vrstama obrade, što rezultira stvaranjem slojeva s novim svojstvima ili rastom filma drugog materijala).

3. Unutar treće pravci određuju makrokinetičke karakteristike kolektiva nanotijela i njihove funkcije distribucije prema parametrima stanja.

Primijenjena nanohemija uključuje:

§ razvoj teorijskih osnova za upotrebu nanosistema u inženjerstvu i nanotehnologiji, metoda za predviđanje razvoja specifičnih nanosistema u uslovima njihove upotrebe, kao i traženje optimalnih metoda rada ( tehnička nanohemija);

§ stvaranje teorijskih modela ponašanja nanosistema u sintezi nanomaterijala i traženje optimalnih uslova za njihovu proizvodnju ( sintetička nanohemija);

§ proučavanje bioloških nanosistema i stvaranje metoda za korišćenje nanosistema u medicinske svrhe ( medicinska nanohemija);

§ razvoj teorijskih modela za formiranje i migraciju nanočestica u životnoj sredini i metoda za čišćenje prirodnih voda ili vazduha od nanočestica ( ekološka nanohemija).

Medicina i zdravstvo. Postoje dokazi da je upotreba

nanouređaji i nanostrukturirane površine mogu povećati

efikasnost analize u tako radno intenzivnom području biologije kao što je dešifriranje

genetski kod. Razvoj metoda za utvrđivanje individue

genetske osobine dovele su do revolucije u dijagnostici i liječenju

bolesti. Pored optimizacije propisivanja lijekova,

Nanotehnologija je omogućila razvoj novih metoda isporuke lijekova

oboljelih organa, kao i značajno povećati stepen njihove terapeutske

uticaj. Dostignuća u nanotehnologiji koriste se u istraživanju

ćelijska biologija i patologija. Razvoj novih analitičkih metoda,

pogodan za rad na nanometarskoj skali, značajno povećan

efikasnost proučavanja hemijskih i mehaničkih svojstava ćelija

(uključujući fisiju i kretanje), a također je dozvoljeno mjerenje karakteristika

pojedinačnih molekula. Ove nove tehnike postale su značajan dodatak

metode vezane za proučavanje funkcionisanja živih organizama.

Osim toga, kontrolirano stvaranje nanostruktura dovodi do stvaranja novih

biokompatibilni materijali sa poboljšanim karakteristikama.

Molekularne komponente bioloških sistema (proteini, nukleinske10

kiseline, lipidi, ugljikohidrati i njihovi biološki parovi) su primjeri

materijala čija se struktura i svojstva određuju na nanoskali. Mnogi

prirodne nanostrukture i nanosistemi se formiraju pomoću

biološke metode samosastavljanja. umjetni neorganski i

organski nanomaterijali se mogu uvesti u ćelije, koristiti za

dijagnostika (na primjer, stvaranjem vizualiziranog kvant

"tačke") i koristiti kao njihove aktivne komponente.

Povećanje količine memorije i brzine računara uz pomoć

nanotehnologija je omogućila da se pređe na modeliranje makromolekula

mreže u realnom okruženju. Ovakvi proračuni su izuzetno važni za

razvoj biokompatibilnih transplantata i novih vrsta lijekova.

Nabrojimo neke obećavajuće primjene nanotehnologija u

biologija:

Brzo i efikasno dešifrovanje genetskih kodova koji

je od interesa za dijagnozu i liječenje.

Efikasna i jeftinija medicinska njega sa

korištenjem daljinskog upravljača i uređaja koji rade

unutar živih organizama

Nove metode davanja i distribucije droga u organizmu, koje su imale

bilo bi od velike važnosti za poboljšanje efikasnosti lečenja (npr.

isporuku lijekova na određene lokacije u tijelu

Razvoj otpornijeg i ne odbačenog od tijela umjetnog

tkiva i organa

Razvoj senzornih sistema koji bi mogli signalizirati

pojavu bolesti unutar organizma, što bi dozvolili lekari

bave se ne toliko liječenjem koliko dijagnostikom i

prevencija bolesti

Objekti supramolekularne hemije

Termin "supramolekularna hemija" prvi put je uveden 1978.

Nobelovac francuski hemičar Jean-Marie Lehn i

definirana kao "hemija koja opisuje složene formacije koje su

rezultat povezivanja dvije (ili više) kemijskih vrsta povezanih zajedno

intermolekularne sile. Prefiks "supra" odgovara ruskom

prefiks "iznad".

Supramolekularna (supramolekularna) hemija (Supramolekularna

hemija) je interdisciplinarna oblast nauke, uključujući hemijsku,

fizički i biološki aspekti razmatranja su složeniji od

molekule, hemijski sistemi povezani u jedinstvenu celinu

intermolekularne (nekovalentne) interakcije.

Objekti supramolekularne hemije su supramolekularni

ansambli izgrađeni spontano iz komplementarnih, tj

geometrijska i hemijska korespondencija fragmenata, npr

spontano sklapanje najsloženijih prostornih struktura u životu

ćelija. Jedan od fundamentalnih problema moderne hemije je

usmjereno projektovanje takvih sistema, stvaranje molekularnih

"građevinski blokovi" visoko uređenih supramolekularnih jedinjenja

sa datom strukturom i svojstvima. Supramolekularne formacije

karakteriše prostorni raspored njihovih komponenti, njihova

arhitektura, "suprastruktura", kao i vrste intermolekularnih

interakcije koje drže komponente zajedno. Generalno

intermolekularne interakcije su slabije od kovalentnih veza, tako da

supramolekularni saradnici su manje termodinamički stabilni, više

kinetički labilni i dinamički fleksibilniji od molekula.

Obrazovni kursevi na daljinu predstavljaju moderan oblik efektivnog dodatnog obrazovanja i usavršavanja u oblasti obuke stručnjaka za razvoj perspektivnih tehnologija za dobijanje funkcionalnih materijala i nanomaterijala. Ovo je jedan od najperspektivnijih oblika modernog obrazovanja koji se razvija u cijelom svijetu. Posebno je relevantan ovaj oblik sticanja znanja u interdisciplinarnoj oblasti kao što su nanomaterijali i nanotehnologije. Prednosti kurseva na daljinu su njihova dostupnost, fleksibilnost u izgradnji obrazovnih ruta, poboljšanje efikasnosti i efikasnosti procesa interakcije sa studentima, ekonomičnost u odnosu na redovne, što se, ipak, može skladno kombinovati sa učenjem na daljinu. U oblasti osnovnih principa nanohemije i nanomaterijala, pripremljeni su video materijali Naučno-obrazovnog centra Moskovskog državnog univerziteta za nanotehnologije:

• . Osnovni koncepti i definicije nauka o nanosistemima i nanotehnologijama. Istorija nastanka nanotehnologije i nauke o nanosistemima. Interdisciplinarnost i multidisciplinarnost. Primjeri nanoobjekata i nanosistema, njihove karakteristike i tehnološke primjene. Objekti i metode nanotehnologija. Principi i perspektive razvoja nanotehnologija.
• . Osnovni principi za formiranje nanosistema. Fizičke i hemijske metode. Procesi za dobijanje nano-objekata "od vrha do dna". Klasična, "meka", mikrosfera, jonski snop (FIB), AFM - litografija i nanoindentacija. Mehanoaktivacija i mehanosinteza nanoobjekata. Procesi za dobijanje nano-objekata "odozdo prema gore". Nukleacijski procesi u plinovitim i kondenziranim medijima. Heterogena nukleacija, epitaksija i heteroepitaksija. Spinodalni kolaps. Sinteza nanoobjekata u amorfnim (staklastim) matricama. Metode hemijske homogenizacije (koprecipitacija, sol-gel metoda, kriohemijska tehnologija, aerosolna piroliza, solvotermalna obrada, superkritično sušenje). Klasifikacija nanočestica i nanoobjekata. Tehnike dobijanja i stabilizacije nanočestica. Agregacija i dezagregacija nanočestica. Sinteza nanomaterijala u jednodimenzionalnim i dvodimenzionalnim nanoreaktorima.
• . Statistička fizika nanosistema. Karakteristike faznih prelaza u malim sistemima. Vrste intra- i intermolekularnih interakcija. hidrofobnost i hidrofilnost. Samosastavljanje i samoorganizacija. Micelizacija. Samostalni monoslojevi. Langmuir-Blodgett filmovi. Supramolekularna organizacija molekula. Molekularno prepoznavanje. Makromolekule polimera, metode za njihovu pripremu. Samoorganizacija u polimernim sistemima. Mikrofazno odvajanje blok kopolimera. Dendrimeri, polimerne četke. Slojevito samosastavljanje polielektrolita. supramolekularni polimeri.
• . Supstanca, faza, materijal. Hijerarhijska struktura materijala. Nanomaterijali i njihova klasifikacija. Neorganski i organski funkcionalni nanomaterijali. Hibridni (organsko-anorganski i anorgansko-organski) materijali. Biomineralizacija i biokeramika. Nanostrukturirani 1D, 2D i 3D materijali. mezoporoznih materijala. Molekularna sita. Nanokompoziti i njihova sinergijska svojstva. Strukturni nanomaterijali.
• . Kataliza i nanotehnologija. Osnovni principi i koncepti heterogene katalize. Utjecaj uslova pripreme i aktivacije na formiranje aktivne površine heterogenih katalizatora. Reakcije osjetljive na strukturu i reakcije neosjetljive na strukturu. Specifičnost termodinamičkih i kinetičkih svojstava nanočestica. Elektrokataliza. Kataliza na zeolitima i molekularnim sitom. membranska kataliza.
• . Polimeri za konstrukcijske materijale i za funkcionalne sisteme. "Pametni" polimerni sistemi sposobni za obavljanje složenih funkcija. Primjeri "pametnih" sistema (polimerne tekućine za proizvodnju nafte, pametni prozori, nanostrukturirane membrane za gorivne ćelije). Biopolimeri kao najpametniji sistemi. biomimetički pristup. Dizajn sekvence za optimizaciju svojstava "pametnih" polimera. Problemi molekularne evolucije sekvenci u biopolimerima.
• . Razmatraju se trenutno stanje i problemi stvaranja novih materijala za hemijske izvore struje: čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC) i litijumske baterije. Analizirani su ključni strukturni faktori koji utiču na svojstva različitih anorganskih jedinjenja, koji određuju mogućnost njihove upotrebe kao elektrodnih materijala: kompleksni perovskiti u SOFC-ima i jedinjenja prelaznih metala (složeni oksidi i fosfati) u litijumskim baterijama. Razmatraju se glavni anodni i katodni materijali koji se koriste u litijumskim baterijama i prepoznati kao perspektivni: njihove prednosti i ograničenja, kao i mogućnost prevazilaženja ograničenja usmjerenom promjenom atomske strukture i mikrostrukture kompozitnih materijala nanostrukturiranjem u cilju poboljšanja karakteristike izvora struje.

Neka pitanja obrađena su u sljedećim poglavljima knjiga (izdavačka kuća Binom):

Ilustrativni materijali o nanohemiji, samosastavljanju i nanostrukturiranim površinama:

Naučno - popularne "video knjige":

Odabrana poglavlja nanohemije i funkcionalnih nanomaterijala.