Nanokemi är utvecklingen av ett forskningsämne inom kemi. Grundläggande riktningar och begrepp inom nanokemi

Som nämnts ovan, på grund av platsen för nanovärlden på gränserna för klassisk fysik och kvantmekanik, kan dess föremål inte längre betraktas som absolut identiska och statistiskt omöjliga att skilja. Alla är individuella, och en nanopartikel skiljer sig från en annan i sammansättning, struktur och många andra parametrar (till exempel fullerener C 60 och C 70). Det är omöjligt att ignorera närvaron av inhomogeniteter och oregelbundenheter i ett objekts struktur och använda genomsnittliga, integrerade egenskaper för att beskriva det, som är brukligt i klassisk fysik. Det speciella med nanoobjekt ligger i det faktum att deras storlek står i proportion till verkningsradien för krafterna för interatomisk interaktion, dvs. med det avstånd till vilket atomerna i en kropp måste avlägsnas så att deras interaktion inte påverkar dess egenskaper i märkbar utsträckning. På grund av denna funktion interagerar nanokroppar med varandra och med miljön annorlunda än makrokroppar. Vetenskapen som studerar egenskaperna hos olika nanostrukturer, samt utvecklingen av nya metoder för deras framställning, studier och modifiering, kallas nanokemi. Hon studerar beredningen och egenskaperna hos olika nanosystem. Nanosystem representerar en uppsättning kroppar omgivna av en gas eller flytande medium. Sådana kroppar kan vara polyatomiska kluster och molekyler, nanodroppar och nanokristaller. Dessa är mellanformer mellan atomer och makroskopiska kroppar. Storleken på systemen förblir i intervallet 0,1-100 nm.

En av de prioriterade uppgifterna för detta kunskapsområde är att fastställa ett samband mellan storleken på en nanopartikel och dess egenskaper. Inom nanokemi, rollen av kvantstorlekseffekter, vilket orsakar en förändring av egenskaperna hos ett ämne beroende på storleken på partiklarna och antalet atomer eller molekyler i dem. Storlekseffekternas roll är så stor att man försöker skapa tabeller över beroendet av egenskaperna hos kluster och nanopartiklar av deras storlek och geometri, liknande det periodiska systemet. Kvantstorlekseffekter avgör sådana egenskaper hos materia som värmekapacitet, elektrisk ledningsförmåga, vissa optiska egenskaper etc.

Förändringar i egenskaper är förknippade med två huvudorsaker: en ökning av ytfraktionen och en förändring i den elektroniska strukturen på grund av kvanteffekter. Egenskaperna hos atomer som ligger nära ytan skiljer sig från egenskaperna hos atomer som finns i materialets huvuddel, därför kan ytan på en partikel betraktas som ett speciellt tillstånd av materia. Ju större andel atomer som finns på ytan, desto starkare blir effekterna förknippade med ytan (fig. 9).

Ris. 9. Förändring av förhållandet mellan "ytatomer" (1) och de som finns i materialets volym (2) beroende på partikelstorleken.

Egenskaperna hos den elektroniska strukturen hos nanoobjekt förklaras av förbättringen av kvantegenskaper som är förknippade med en minskning i storlek. De ovanliga egenskaperna hos nanostrukturer komplicerar deras triviala tekniska användning och öppnar samtidigt för helt oväntade tekniska möjligheter.

Betydande skillnader i egenskaperna hos nanopartiklar börjar uppstå vid partikelstorlekar mindre än 100 nm. Ur energisynpunkt leder en minskning av partikelstorleken till en ökning av ytenergins roll, vilket leder till förändringar i de fysiska och kemiska egenskaperna hos små föremål.

Objekt för nanokemiforskningär kroppar med en sådan massa att deras ekvivalenta storlek (diametern på en sfär vars volym är lika med kroppens volym) förblir inom nanoområdet (0,1 - 100 nm). Konventionellt kan nanokemi delas in i teoretisk, experimentell och tillämpad (Fig. 10).

Ris. 10. Nanokemins struktur

Teoretisk nanokemi utvecklar metoder för att beräkna beteendet hos nanokroppar, med hänsyn till sådana parametrar för partiklarnas tillstånd som rumsliga koordinater och hastigheter, massa, egenskaper hos sammansättningen, formen och strukturen för varje nanopartikel.

Experimentell nanokemi utvecklas i tre riktningar. Inom först, som helt korrelerar med avsnittet analytisk kemi, utvecklas och används ultrakänsliga fysikalisk-kemiska metoder, vilket gör det möjligt att bedöma strukturen hos molekyler och kluster, inklusive tiotals och hundratals atomer. Andra Inriktningen studerar fenomen under lokal (lokal) elektrisk, magnetisk eller mekanisk påverkan på nanokroppar, implementerade med hjälp av nanosonder och speciella manipulatorer. Målet är att studera växelverkan mellan enskilda gasmolekyler med nanokroppar och nanokroppar med varandra, för att identifiera möjligheten till interna omarrangemang utan att förstöra molekyler och kluster och deras sönderfall. Denna riktning är också intresserad av möjligheten till "atommontage" av en nanokropp med önskat utseende när atomer flyttas längs ytan av ett substrat (basmaterialet, vars yta utsätts för olika typer av bearbetning, som ett resultat av vilka skikt med nya egenskaper som bildas eller en film av annat material odlas). Inom tredje riktningar bestäms de makrokinetiska egenskaperna hos nanokroppskollektiv och deras fördelningsfunktioner över tillståndsparametrar.

Tillämpad nanokemi inkluderar: utveckling av teoretiska grunder för användning av nanosystem inom teknik och nanoteknik, metoder för att förutsäga utvecklingen av specifika nanosystem under villkoren för deras användning, samt sökandet efter optimala driftmetoder ( teknisk nanokemi); skapa teoretiska modeller för nanosystems beteende under syntesen av nanomaterial och söka efter optimala förhållanden för deras produktion ( syntetisk nanokemi); studier av biologiska nanosystem och skapande av metoder för att använda nanosystem för medicinska ändamål ( medicinsk nanokemi); utveckling av teoretiska modeller för bildning och migration av nanopartiklar i miljön och metoder för att rena naturligt vatten eller luft från nanopartiklar ( ekologisk nanokemi).

På tal om storleken på studieobjekt är det nödvändigt att ta hänsyn till att gränserna för nanoskalintervallet i kemi är godtyckliga. En kropps egenskaper är i varierande grad känsliga för dess storlek. Vissa av egenskaperna förlorar sin specificitet vid storlekar större än 10 nm, andra - större än 100 nm. Därför, för att utesluta färre egenskaper från övervägande, tas den övre gränsen för nanointervallet till 100 nm.

I detta intervall beror vilken egenskap som helst på dess massa och volym. Därför kan föremålet för nanokemi betraktas som föremål som har interaktioner varje atom med alla andra atomer är signifikanta.

Nanokemiska föremål kan klassificeras enligt olika kriterier. Till exempel enligt fastillstånd(Bord 1).

Geometriskt(dimensioner) nanoobjekt kan klassificeras på olika sätt. Vissa forskare föreslår att man karakteriserar dimensionaliteten hos ett objekt genom antalet dimensioner där objektet har makroskopiska dimensioner. Andra utgår från antalet nanoskopiska mätningar.

I tabell Tabell 2 visar huvudobjekten för nanokemisk forskning (nanopartiklar och motsvarande nanosystem).

Klassificering av nanoobjekt enligt deras dimensionalitet är viktig inte bara ur en formell synvinkel. Geometri påverkar avsevärt deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Låt oss överväga några av de högst prioriterade forskningsobjekten inom nanokemi.

Nanopartiklar från ädelgasatomer. De är de enklaste nanoobjekten. Atomer av inerta gaser med helt fyllda elektronskal samverkar svagt med varandra genom van der Waals-krafter. När man beskriver sådana partiklar används modellen av hårda bollar (Fig. 11). Bindningsenergin, det vill säga energin som spenderas på att lossa en enskild atom från en nanopartikel, är mycket liten, så partiklar existerar vid temperaturer som inte är högre än 10-100 K.

Ris. 11. Nanopartiklar med 16 argonatomer.

Metall nanopartiklar. I metallkluster med flera atomer kan både kovalenta och metalliska typer av bindningar realiseras (fig. 12). Metallnanopartiklar är mycket reaktiva och används ofta som katalysatorer. Metallnanopartiklar kan ta regelbundna former - oktaeder, icosahedron, tetradekaeder.

Ris. 12. Nanopartiklar som består av platina (vita sfärer) och koppar (grå) atomer

Fullerener. De är ihåliga partiklar bildade av polyedrar av kolatomer anslutna med en kovalent bindning. En speciell plats bland fullerener upptas av en partikel med 60 kolatomer - C 60, som påminner om en mikroskopisk fotboll (Fig. 13).

Ris. 13. Fullerenmolekyl C 60

Fullerener används i stor utsträckning: vid skapandet av nya smörjmedel och antifriktionsbeläggningar, nya typer av bränsle, diamantliknande föreningar med ultrahög hårdhet, sensorer och färger.

Kolnanorör. Dessa är ihåliga intramolekylära föremål som består av cirka 1 000 000 kolatomer och representerar enkel- eller flerskiktsrör med en diameter på 1 till 30 nm och en längd på flera tiotals mikron. På ytan av nanoröret är kolatomer belägna vid hörnen av vanliga hexagoner (Fig. 14).

Ris. 14. Kolnanorör.

Nanorör har ett antal unika egenskaper, tack vare vilka de används i stor utsträckning främst för att skapa nya material, elektronik och skanningsmikroskopi. De unika egenskaperna hos nanorör: hög specifik yta, elektrisk ledningsförmåga, styrka - gör det möjligt att skapa effektiva katalysatorbärare för olika processer baserade på dem. Till exempel används nanorör för att tillverka nya energikällor – bränsleceller som kan fungera många gånger längre än enkla batterier av samma storlek. Till exempel kan nanorör med palladiumnanopartiklar kompakt lagra väte tusentals gånger sin volym. Ytterligare utveckling av bränslecellsteknik kommer att göra det möjligt att lagra hundratals och tusentals gånger mer energi i dem än i moderna batterier.

Joniska kluster. De representerar en klassisk bild, karakteristisk för en jonbindning i kristallgittret av natriumklorid (fig. 15). Om en jonisk nanopartikel är tillräckligt stor, är dess struktur nära strukturen hos en bulkkristall. Joniska föreningar används för att skapa högupplösta fotografiska filmer, molekylära fotodetektorer och inom olika områden av mikroelektronik och elektrooptik.

Ris. 15. NaCl-kluster.

Fraktalkluster. Det är föremål med en grenad struktur (fig. 16): sot, kolloider, olika aerosoler och aerogeler. En fraktal är ett föremål där man med ökande förstoring kan se hur samma struktur upprepas i det på alla nivåer och i vilken skala som helst.

Fig. 16. Fraktalkluster

Molekylära kluster(supramolekylära system). Kluster som består av molekyler. De flesta kluster är molekylära. Deras antal och variation är enorm. I synnerhet hör många biologiska makromolekyler till molekylära kluster (fig. 17 och 18).

Ris. 17. Molekylära kluster av ferredoxinprotein.

Ris. 18. Molekylkluster med hög spinn

Nanokemi

Kemi och farmakologi

Nanovetenskap har vuxit fram som en självständig disciplin först under de senaste 7-10 åren. Studiet av nanostrukturer är en vanlig riktning för många klassiska vetenskapliga discipliner. Nanokemi intar en av de ledande platserna bland dem, eftersom den öppnar upp nästan obegränsade möjligheter för utveckling, produktion och forskning...

FEDERAL AGENCE FOR EDUCATION OMSK STATE PEDAGOGICAL UNIVERSITY KEMI- OCH BIOLOGISKA FAKULTETET
INSTITUTIONEN FÖR KEMI OCH METODER FÖR UNDERVISNING I KEMI

Nanokemi

Slutförd av: student 1-ХО Kuklina N.E.

Kontrollerad av: Ph.D., Docent B.Ya. Bryansky.

Omsk 2008

§1. Historia om bildandet av nanovetenskap………………………………………………………………3

§2. Grundläggande begrepp inom nanovetenskap……………………………………………………………………….5

§3. Funktioner hos strukturen och beteendet hos vissa nanopartiklar…………………………………8

§4. Typer av tillämpad användning av nanokemi……………………………………………………………………… 9

§5. Metoder för att erhålla nanopartiklar………………………………………………………………..10

§6. Nanomaterial och möjligheter för deras tillämpning…………………………………………………11

Informationskällor………………………………………………………………………………………………13

§1. Historia om bildandet av nanovetenskap

1905 Albert Einstein bevisade teoretiskt att storleken på en sockermolekyl är p och venerna är 1 nanometer.

1931 De tyska fysikerna Ernst Ruska och Max Knoll skapade elektronmikroskopet O omfattning som ger 10 15 -faldig ökning.

1932 Den holländska professorn Fritz Zernike uppfann faskontrast mi Till roskop en variant av ett optiskt mikroskop som förbättrade kvaliteten på att visa bilddetaljer A zheniya, och studerade levande celler med dess hjälp.

1939 Siemens, där Ernst Ruska arbetade, producerade det första kommersiella elektronmikroskopet med en upplösning på 10 nm.

1966 Den amerikanske fysikern Russell Young, som arbetade på National Bureau of Hundred n dart, uppfann motorn som används idag för att skanna tunnelmikroskop O scopes och för positionering av nanoinstrument med en noggrannhet på 0,01 ångström (1 nanometer = 10 ångström).

1968 Bell Executive Vice President Alfred Cho och John Arthur, anställd på dess halvledarforskningsavdelning, underbyggde den teoretiska möjligheten att använda nanoteknik för att lösa problem med ytbehandling och uppnå atomär precision vid skapandet av elektroniska enheter.

1974 Den japanske fysikern Norio Taniguchi, som arbetade vid University of Tokyo, föreslog termen "nanoteknik" (processen att dela, sätta ihop och förändra materia A fiske genom att utsätta dem för en atom eller en molekyl), vilket snabbt blev populärt i vetenskapliga kretsar.

1982 Vid IBM Zurich Research Center har fysikerna Gerd Binnig och Ge n Rich Rohrer skapade ett scanning tunneling microscope (STM), som gör att man kan konstruera en tredimensionell bild av arrangemanget av atomer på ytorna av ledande material.

1985 Tre amerikanska kemister: Rice University-professorn Richard Smalley, liksom Robert Karl och Harold Kroto, upptäckte fullerener - molekyler sammansatta jag bestående av 60 kolatomer arrangerade i form av en sfär. Dessa forskare kunde också mäta ett objekt med en storlek på 1 nm för första gången.

1986 Gerd Binnig utvecklade en scanning atomic force sond mikro O räckvidd, som äntligen gjorde det möjligt att visualisera atomer av vilket material som helst (inte bara O drivrutiner), samt manipulera dem.

19871988 Vid Delta Research Institute under ledning av P.N. Luskinovich tog i drift den första ryska nanoteknologiska installationen, som utförde den riktade flykten av partiklar från spetsen av en mikroskopsond under påverkan av uppvärmning.

1989 Forskarna Donald Eigler och Erhard Schwetzer från California IBM Research Center lyckades lägga ut namnet på sitt företag med 35 xenonatomer på en nickelkristall.

1991 Den japanska professorn Sumio Lijima, som arbetade på NEC, och Med använde fullerener för att skapa kolrör (eller nanorör) med en diameter på 0,8 nm.

1991 National Science Foundations första nanoteknikprogram lanserades i USA. Den japanska regeringen är också engagerad i liknande aktiviteter.

1998 Cees Dekker, en holländsk professor vid Delfts tekniska universitet, skapade en transistor baserad på nanorör. För att göra detta var han tvungen att vara den första i världen att förändras e bestämma den elektriska ledningsförmågan för en sådan molekyl.

2000 Den tyske fysikern Franz Gissibl såg subatomära partiklar i kisel. Hans kollega Robert Magerle föreslog nanotomografiteknik för att skapa tredimensionell R en ny bild av materiens inre struktur med en upplösning på 100 nm.

2000 Den amerikanska regeringen öppnade National Nanotechnology Institute Och initiativ (NNI). Den amerikanska budgeten tilldelade 270 miljoner dollar för detta kommersiella område e Kinesiska företag investerade 10 gånger mer i det.

2002 Cees Dekker kopplade ett kolrör med DNA och skapade en enda nano e mekanism.

2003 Professor Feng Liu från University of Utah, med hjälp av Franz Gissibls arbete, använde ett atommikroskop för att konstruera bilder av elektronbanor genom att analysera deras störningar när de rör sig runt kärnan.

§2. Grundläggande begrepp inom nanovetenskap

Nanovetenskap uppstod som en självständig disciplin först efter d ålder 7-10 år. Studiet av nanostrukturer är en vanlig riktning för många klassiska vetenskapliga discipliner. Nanokemi intar en av de ledande platserna bland dem, eftersom den öppnar upp för nästan obegränsade möjligheter för utveckling, produktion och forskning av nya nanomaterial med specificerade egenskaper, ofta överlägsna i kvalitet än naturliga material.

Nanokemi - är en vetenskap som studerar egenskaperna hos olika sediment T strukturer, samt utveckling av nya metoder för deras produktion, studier och modifiering.

Nanokemins prioriterade uppgift äretablera ett samband mellan storleken på nanopartiklar A stitsa och dess egenskaper.

Objekt för nanokemiforskningär kroppar med en sådan massa att deras motsvarighet Och valensstorleken förblir inom nanoområdet (0,1 100 nm).

Objekt i nanoskala intar en mellanposition mellan bulkmaterial å ena sidan och atomer och molekyler å andra sidan. Förekomsten av sådanaъ effekter i material ger dem nya kemiska och fysikaliska egenskaper. Nanoobjekt är en mellanliggande och förbindande länk mellan världen där de verkar. O kunskap om kvantmekanik och den värld där den klassiska fysikens lagar verkar.

Karakteristiska storlekar på föremål i omvärlden

Nanokemi studerar beredningen och egenskaperna hos olika nanosystem. Nanosystem representerar en uppsättning kroppar omgivna av en gas eller flytande medium. Sådant t e De kan vara polyatomiska kluster och molekyler, nanodroppar och nanokristaller. Dessa är mellanformer mellan atomer och makroskopiska kroppar. Systemstorlek ca Med ligger inom 0,1 100 nm.

Klassificering av nanokemiska föremål efter fastillstånd

Fas tillstånd	Enstaka atomer	Kluster	Nanopartiklar	Kompakt ämne
Diameter, nm	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Över 100
Antal atomer	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Över 109

Utbudet av föremål som studeras av nanokemi expanderar ständigt. Kemister har alltid försökt förstå vad som är speciellt med nanometerstora kroppar. Detta ledde till den snabba utvecklingen av kolloidal och makromolekylär kemi.

På 80-90-talet av XX-talet, tack vare metoderna för elektronisk, atomkraft och n nel mikroskopi, var det möjligt att observera beteendet hos nanokristaller av metaller och n e organiska salter, proteinmolekyler, fullerener och nanorör, och på senare år t A Dessa observationer blev utbredda.

Objekt för nanokemisk forskning

Nanopartiklar	Nanosystem
Fullerener	Kristaller, lösningar
Tubulener	Aggregat, lösningar
Proteinmolekyler	Lösningar, kristaller
Polymermolekyler	Sols, geler
Nanokristaller av oorganiska e samhällen	Aerosoler, kolloidala lösningar, utfällning
Miceller	Kolloidala lösningar
Nanoblock	Fasta ämnen
Langmuir filmar Blodgett	Kroppar med en film på ytan
Kluster i gaser	Aerosoler
Nanopartiklar i lager av olika storlekar e samhällen	Nanostrukturerade filmer

Således kan följande huvudegenskaper hos nanokemi särskiljas:

1. Objektens geometriska dimensioner är på en nanometerskala;
2. Manifestation av nya egenskaper genom föremål och deras samlingar;
3. Förmåga att kontrollera och exakt manipulera objekt;
4. Föremål och anordningar sammansatta på basis av föremål får nya konsumenter bskie egenskaper.

§3. Funktioner i strukturen och beteendet hos vissa nanopartiklar

Nanopartiklar från ädelgasatomerär de enklaste nanoobjektenъ ects. Atomer av inerta gaser med helt fyllda elektronskal samverkar svagt med varandra genom van der Waals-krafter. När man beskriver sådana partiklar används modellen av hårda sfärer.

Metall nanopartiklar. I metallkluster med flera atomer kan både kovalenta och metalliska typer av bindningar realiseras. Metallnanopartiklar är mycket reaktiva och används ofta som katalysatorer. A torov. Metallnanopartiklar har vanligtvis den vanliga formen av en oktaeder, icos A hedron, tetradekaeder.

Fraktalklusterdessa är föremål med en grenad struktur: sot, co l loider, olika aerosoler och aerogeler. Fraktal är ett föremål där, med åldern, Med Med ökande förstoring kan man se hur samma struktur upprepas i den på alla nivåer och i vilken skala som helst.

Molekylära klusterkluster som består av molekyler. De flesta klasser e dike är molekylära. Deras antal och variation är enorm. I synnerhet till molekyler på Många biologiska makromolekyler tillhör polära kluster.

Fullerener är ihåliga partiklar som bildas av polygoner n nicks gjorda av kolatomer sammankopplade med en kovalent bindning. En speciell plats bland fullare e nyligen upptagen av en partikel med 60 kolatomer C 60 , som liknar en mikroskopisk fotboll.

Nanorör dessa är ihåliga molekyler inuti, bestående av cirka 1 000 000 at O kol och är enskiktsrör med en diameter på cirka en nanometer och en längd på flera tiotals mikron. På ytan av nanoröret löses kolatomer O läggs vid hörnen av regelbundna hexagoner.

§4. Typer av tillämpad användning av nanokemi

Konventionellt kan nanokemi delas in i:

• Teoretisk
• Experimentell
• Applicerad

Teoretisk nanokemiutvecklar metoder för att beräkna beteendet hos nanokroppar, med hänsyn till sådana parametrar för partiklarnas tillstånd som rumsliga koordinater och hastighet O storlek, massa, egenskaper hos sammansättningen, form och struktur för varje nanopartikel.

Experimentell nanokemiutvecklas i tre riktningar. Som en del av det första ultrakänsliga spektrala metoder utvecklas och används, ja Yu vilket gör det möjligt att bedöma strukturen hos molekyler som innehåller tiotals och hundratals atomer.Inom den andrariktningar, fenomen under lokal (lokal) elektrisk e magnetisk eller mekanisk påverkan på nanokroppar, implementerad med hjälp av nanosonder och speciella manipulatorer.Som en del av den tredjeJag bestämmer vägbeskrivningar T Xia makrokinetiska egenskaper hos nanokroppskollektiv och n distributionsfunktioner A notera enligt tillståndsparametrar.

Tillämpad nanokemi inkluderar:

• Utveckling av teoretiska grunder för användning av nanosystem inom teknik och nanoteknik O ologi, metoder för att förutsäga utvecklingen av specifika nanosystem under deras förhållanden och Med användning, såväl som sökandet efter optimala driftmetoder (tekniska och nokemi).
• Skapande av teoretiska modeller för nanosystems beteende under syntesen av nanomater e rial och sökandet efter optimala förhållanden för deras produktion (syntetisk nanokemi).
• Studie av biologiska nanosystem och skapande av metoder för att använda nanometrar Och stjälkar för medicinska ändamål (medicinsk nanokemi).
• Utveckling av teoretiska modeller för bildning och migration av nanopartiklar i miljön på tuff miljö och metoder för att rena naturligt vatten eller luft från nanopartiklar (t.ex O logisk nanokemi).

§5. Metoder för att erhålla nanopartiklar

I grund och botten kan alla metoder för syntes av nanopartiklar delas in i två stora grupper:

Spridningsmetoder, eller metoder för att erhålla nanopartiklar genom att mala ett konventionellt makroprov

kondensationsmetoder, eller metoder för att "odla" nanopartiklar från enskilda atomer.

Spridningsmetoder

Med dispersionsmetoder krossas startkropparna till nanopartiklar. Denna metod för att erhålla nanopartiklar kallas bildligt av vissa forskare"uppifrån och ner tillvägagångssätt" . Detta är det enklaste av alla sätt att skapa nanopartiklar, ett slags "kött" O skärning” för makrokroppar. Denna metod används i stor utsträckning vid tillverkning av material för mikroelektronik, den består i att reducera storleken på föremål till nanoskaliga storlekar inom kapaciteten hos industriell utrustning och det material som används. OCH h Det är möjligt att mala ett ämne till nanopartiklar inte bara mekaniskt. Det ryska företaget Advanced Powder Technologies producerar nanopartiklar genom att explodera en metalltråd med en kraftig strömpuls.

Det finns också mer exotiska sätt att få fram nanopartiklar. Amerikanska forskare samlade in mikroorganismer från fikonträdslöv 2003 Rhodococcus och placerade dem i en guldhaltig lösning. Bakterierna fungerade som ett kemiskt medel Med stabiliseringsmedel, samlar rena nanopartiklar med en diameter på cirka 10 nm från silverjoner. Genom att bygga nanopartiklar kändes bakterierna normala och fortsatte att föröka sig.

Kondensation metoder

Med kondenseringsmetoder ("nedifrån och upp tillvägagångssätt") nanopartiklar får n på teman för förening av enskilda atomer. Metoden är den i kontrollerad Med Under dessa förhållanden bildas ensembler av atomer och joner. Som ett resultat bildas nya objekt med nya strukturer och följaktligen med nya egenskaper, som kan programmeras genom att ändra förutsättningarna för bildandet av ensembler. Den här d Flytten gör det lättare att lösa problemet med miniatyrisering av objekt, för oss närmare att lösa ett antal problem inom högupplöst litografi, skapandet av nya mikroprocessorer, tunna polymerfilmer och nya halvledare.

§6. Nanomaterial och möjligheter för deras tillämpning

Begreppet nanomaterial formulerades först i80-talet av XX-talet av G. Gleiter, som introducerade själva termen i vetenskapligt bruk " nanomaterial " Förutom traditionella nanomaterial (som kemiska grundämnen och föreningar, amorfa ämnen, metaller och deras legeringar) inkluderar dessa nanohalvledare, nanopolymerer, n A icke-porösa material, nanopulver, många kolnanostrukturer, n A nobiomaterial, supramolekylära strukturer och katalysatorer.

Faktorer som bestämmer nanomaterialens unika egenskaper, är de dimensionella, elektroniska och kvanteffekter av nanopartiklarna som bildar dem, såväl som deras mycket utvecklade yta. Många studier har visat det b betydande och tekniskt intressanta förändringar i de fysikaliska och mekaniska egenskaperna hos nanomaterial (hållfasthet, hårdhet etc.) sker i partikelstorleksintervallet från flera n A nummer upp till 100 nm. För närvarande har många nanomaterial baserade på nitrider och borider med en kristallitstorlek på cirka 12 nm eller mindre redan erhållits.

På grund av de specifika egenskaperna hos nanopartiklarna som ligger bakom dem, sådana mattor e Rials är ofta överlägsna "vanliga" på många sätt. Till exempel metastyrka l la erhållen med hjälp av nanoteknik överstiger styrkan hos konventionellt material med 1,53 gånger, dess hårdhet är 5070 gånger högre och dess korrosionsbeständighet är 1012 gånger högre.

Användningsområden för nanomaterial:

• element av nanoelektronik och nanofotonik (halvledartransistorer och lasrar; fotodetektorer; solceller; olika sensorer)
• ultratäta informationsinspelningsenheter
• telekommunikation, information och datateknik, sup r datorer
• videoutrustning plattskärmar, monitorer, videoprojektorer
• molekylära elektroniska enheter, inklusive switchar och elektroniska kretsar på molekylär nivå
• bränsleceller och energilagringsanordningar
• anordningar för mikro- och nanomekanik, inklusive molekylära motorer och nanomotorer, nanorobotar
• nanokemi och katalys, inklusive förbränningskontroll, beläggning, elektrisk Till trokemi och läkemedel
• tillståndsövervakningsanordningar för flyg, rymd och försvar jag miljöforskning
• riktad leverans av läkemedel och proteiner, biopolymerer och läkning av biologiska vävnader, klinisk och medicinsk diagnostik, skapande av konstgjorda muskler på fiske, ben, implantation av levande organ
• biomekanik, genomik, bioinformatik, bioinstrumentering
• registrering och identifiering av cancerframkallande vävnader, patogener och biologiskt skadliga ämnen; säkerhet inom jordbruk och livsmedelsproduktion.

Omsk-regionen är redo att utveckla nanoteknik

Utvecklingen av nanoteknik är ett av de prioriterade områdena för utvecklingen av vetenskap, teknik och ingenjörskonst i Omsk-regionen.

Sålunda bedrivs forskning i Omsk-grenen av Institute of Semiconductor Physics SB RAS h arbete med nanoelektronik, och vid Institute of Hydrocarbon Processing Problems i SB RAS pågår arbete för att erhålla nanoporösa kolbärare och katalysatorer.

Informationskällor:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 KB Lektionsutrustning: Presentation Början av det stora fosterländska kriget, som använder en karta över den inledande perioden av kriget, fragment av dokumentärer om kriget, ett diagram över Tysklands och Sovjetunionens beredskap för krig, en utställning med böcker tillägnad det stora fosterländska kriget...

För begreppet nanoteknik kanske det inte finns någon uttömmande definition, men i analogi med nuvarande mikroteknologier följer att nanoteknik är teknologier som arbetar med kvantiteter i storleksordningen en nanometer. Därför är övergången från "mikro" till "nano" en kvalitativ övergång från manipulation av materia till manipulation av enskilda atomer. När det gäller utvecklingen av nanoteknik menar vi tre riktningar: produktion av elektroniska kretsar (inklusive volymetriska) med aktiva element med dimensioner jämförbara med molekylers och atomers; utveckling och produktion av nanomaskiner; manipulering av enskilda atomer och molekyler och sammansättning av makroobjekt från dem. Utvecklingen inom dessa områden har pågått under lång tid. 1981 skapades ett tunnelmikroskop som möjliggör överföring av enskilda atomer. Tunneleffekten är ett kvantfenomen av penetration av en mikropartikel från ett klassiskt tillgängligt rörelseområde till ett annat, separerat från det första av en potentiell barriär. Grunden för det uppfunna mikroskopet är en mycket vass nål som glider över ytan som studeras med ett gap på mindre än en nanometer. I detta fall, elektroner från spetsen av nåltunneln genom detta gap in i substratet.

Men förutom ytstudier har skapandet av en ny typ av mikroskop öppnat ett fundamentalt nytt sätt för bildandet av nanometerstora element. Unika resultat erhölls på atomers rörelse, deras avlägsnande och avsättning vid en given punkt, såväl som lokal stimulering av kemiska processer. Sedan dess har tekniken förbättrats avsevärt. Idag används dessa prestationer i vardagen: produktionen av laserskivor, och ännu mer produktionen av DVD-skivor, är omöjlig utan användning av nanotekniska kontrollmetoder.

Nanokemi är syntesen av nanodispergerade ämnen och material, reglering av kemiska omvandlingar av nanometerstora kroppar, förhindrande av kemisk nedbrytning av nanostrukturer, metoder för behandling av sjukdomar med nanokristaller.

Följande är forskningsområdena inom nanokemi:

• - utveckling av metoder för sammansättning av stora molekyler från atomer med hjälp av nanomanipulatorer;
• - Studie av intramolekylära omarrangemang av atomer under mekanisk, elektrisk och magnetisk påverkan. Syntes av nanostrukturer i superkritiska vätskeflöden; utveckling av metoder för riktad montering med bildning av fraktala, ram-, rörformiga och kolumnära nanostrukturer.
• - Utveckling av teorin om fysikalisk-kemisk utveckling av ultradispersa ämnen och nanostrukturer; skapa sätt att förhindra kemisk nedbrytning av nanostrukturer.
• - Skaffa nya nanokatalysatorer för den kemiska och petrokemiska industrin; studera mekanismen för katalytiska reaktioner på nanokristaller.
• - Studie av nanokristallisationsmekanismer i porösa medier i akustiska fält; syntes av nanostrukturer i biologiska vävnader; utveckling av metoder för att behandla sjukdomar genom att bilda nanostrukturer i vävnader med patologi.
• - studie av fenomenet självorganisering i grupper av nanokristaller; söka efter nya sätt att förlänga stabiliseringen av nanostrukturer med kemiska modifierare.
• - Det förväntade resultatet kommer att vara ett funktionellt utbud av maskiner som ger:
• - metodik för att studera intramolekylära omarrangemang under lokal påverkan på molekyler.
• - Nya katalysatorer för den kemiska industrin och laboratoriepraxis.
• - sällsynta jordartsmetaller och vanadin nanokatalysatorer med ett brett spektrum av verkan.
• - Metodik för att förhindra kemisk nedbrytning av tekniska nanostrukturer.
• - metoder för att förutsäga kemisk nedbrytning.
• - nanoläkemedel för terapi och kirurgi, preparat baserade på hydroxiapatit för tandvård;
• - en metod för behandling av onkologiska sjukdomar genom att utföra intratumoral nanokristallisering och applicera ett akustiskt fält.
• - Metoder för att skapa nanostrukturer genom riktad aggregering av nanokristaller;
• - tekniker för att reglera den rumsliga organisationen av nanostrukturer.
• - nya kemiska sensorer med ultradispers aktiv fas; metoder för att öka sensorernas känslighet genom kemisk modifiering.

Nanokemi är en vetenskap som studerar egenskaperna hos olika nanostrukturer, samt utvecklingen av nya metoder för deras produktion, studier och modifiering.

En av nanokemins prioriterade uppgifter är att fastställa ett samband mellan storleken på en nanopartikel och dess egenskaper.

Objekt för nanokemiforskning är kroppar med en sådan massa att deras ekvivalenta storlek (diametern på en sfär vars volym är lika med kroppens volym) förblir inom nanoområdet (0,1 - 100 nm)

På grund av platsen för nanovärlden på gränserna för klassisk fysik och kvantmekanik, kan dess föremål inte längre betraktas som absolut identiska och statistiskt omöjliga att särskilja. De är alla individuella och en nanopartikel skiljer sig från en annan nanopartikel i sammansättning, struktur och många andra parametrar

Nanokemi är i ett skede av snabb utveckling, så när det

När man studerar uppstår ständigt frågor som rör begrepp och termer.

Tydliga skillnader mellan begreppen "kluster", "nanopartikel" och "kvantum".

period” har ännu inte formulerats. Termen "kluster" används oftare för

större aggregat av atomer och är vanligt att beskriva egenskaper

metaller och kol. Termen "quantum dot" är vanligtvis

hänvisar till partiklar av halvledare och öar, där kvantum

begränsningar av laddningsbärare eller excitoner påverkar deras egenskaper.

Teoretisk nanokemi utvecklar metoder för att beräkna beteendet hos nanokroppar, med hänsyn till sådana parametrar för partiklarnas tillstånd som rumsliga koordinater och hastigheter, massa, egenskaper hos sammansättningen, formen och strukturen för varje nanopartikel.

Experimentell nanokemi utvecklas i tre riktningar.

1. Inom först Ultrakänsliga spektrala metoder utvecklas och används, vilket gör det möjligt att bedöma strukturen hos molekyler som innehåller tiotals och hundratals atomer.

2. För det andra Inriktningen studerar fenomen under lokal (lokal) elektrisk, magnetisk eller mekanisk påverkan på nanokroppar, implementerade med hjälp av nanosonder och speciella manipulatorer. Målet är att studera individuella gasmolekylers interaktion med nanokroppar och nanokroppar med varandra, att identifiera möjligheten till intramolekylära omarrangemang utan att förstöra molekyler och med deras sönderfall. Denna riktning är också av intresse för möjligheten till "atommontage" av en nanokropp av önskad vana(utseende) när atomer flyttas längs substratets yta (basmaterialet, vars yta utsätts för olika typer av bearbetning, som ett resultat av vilket lager med nya egenskaper bildas eller en film av ett annat material odlas).

3. Inom tredje riktningar bestäms de makrokinetiska egenskaperna hos nanokroppskollektiv och deras fördelningsfunktioner över tillståndsparametrar.

Tillämpad nanokemi inkluderar:

§ utveckling av teoretiska grunder för användningen av nanosystem inom teknik och nanoteknik, metoder för att förutsäga utvecklingen av specifika nanosystem under villkoren för deras användning, samt sökandet efter optimala driftmetoder ( teknisk nanokemi);

§ skapande av teoretiska modeller för nanosystems beteende under syntesen av nanomaterial och söka efter optimala förhållanden för deras produktion ( syntetisk nanokemi);

§ studie av biologiska nanosystem och skapande av metoder för att använda nanosystem för medicinska ändamål ( medicinsk nanokemi);

§ utveckling av teoretiska modeller för bildning och migration av nanopartiklar i miljön och metoder för att rena naturligt vatten eller luft från nanopartiklar ( ekologisk nanokemi).

Medicin och sjukvård. Det har inhämtats bevis för att användningen

nanoenheter och nanostrukturerade ytor kan öka med en storleksordning

analysens effektivitet i ett så arbetsintensivt område av biologi som avkodning

genetisk kod. Utveckling av metoder för att bestämma individ

genetiska egenskaper ledde till en revolution inom diagnos och behandling

sjukdomar. Förutom att optimera läkemedelsförskrivningen,

nanoteknik har gjort det möjligt att utveckla nya metoder för läkemedelsleverans till

sjuka organ, och också avsevärt öka graden av deras terapeutiska

påverkan. Nanoteknikens landvinningar används i forskning om

cellbiologi och patologi. Utveckling av nya analystekniker,

lämplig för arbete på nanometerskalan, har ökat avsevärt

effektiviteten av studier av kemiska och mekaniska egenskaper hos celler

(inklusive division och rörelse), och gjorde det också möjligt att mäta egenskaper

enskilda molekyler. Dessa nya tekniker har blivit ett betydande tillägg

tekniker relaterade till studiet av levande organismers funktion.

Dessutom leder det kontrollerade skapandet av nanostrukturer till skapandet av nya

biokompatibla material med förbättrade egenskaper.

Molekylära komponenter i biologiska system (proteiner, nukleinsyror10

syror, lipider, kolhydrater och deras biologiska analoger) är exempel

material vars struktur och egenskaper bestäms på nanoskala. Många

naturliga nanostrukturer och nanosystem bildas med hjälp av

biologiska metoder för självmontering. Konstgjord oorganisk och

organiska nanomaterial kan införas i celler och användas för

diagnostik (till exempel genom att skapa visualiserat kvantum

"punkter") och används som deras aktiva komponenter.

Öka minneskapaciteten och hastigheten för en dator som använder

nanoteknik gjorde det möjligt att gå vidare till modellering av makromolekylär

nät i en verklig miljö. Sådana beräkningar är oerhört viktiga för

utveckling av biokompatibla transplantationer och nya typer av läkemedel.

Låt oss lista några lovande tillämpningar av nanoteknik inom

biologi:

Snabb och effektiv avkodning av genetiska koder, vilket

är av intresse för diagnos och behandling.

Effektiv och billigare sjukvård med

med fjärrkontroll och enheter som fungerar

inuti levande organismer

Nya metoder för att administrera och distribuera läkemedel i kroppen, som hade

skulle vara av stor betydelse för att öka behandlingens effektivitet (t.ex

leverans av droger till specifika platser i kroppen)

Utveckling av mer hållbara och inte avvisas av kroppen konstgjord

vävnader och organ

Utveckling av sensorsystem som kunde signalera

förekomsten av sjukdomar inuti kroppen, vilket skulle tillåta läkare

engagera sig inte så mycket i behandling, utan i diagnos och

sjukdomsprevention

Objekt av supramolekylär kemi

Termen "supramolekylär kemi" introducerades först 1978.

Nobelpristagaren franske kemisten Jean-Marie Lehn och

definieras som "kemin som beskriver komplexa formationer som är

resultatet av associationen av två (eller flera) kemiska partiklar bundna tillsammans

intermolekylära krafter." Prefixet "supra" motsvarar det ryska

prefix "ovan".

Supramolekylär (supramolekylär) kemi

kemi) är ett tvärvetenskapligt vetenskapsområde, inklusive kemi,

fysiska och biologiska aspekter av hänsyn mer komplexa än

molekyler, kemiska system kopplade till en enda helhet genom

intermolekylära (icke-kovalenta) interaktioner.

Objekten för supramolekylär kemi är supramolekylära

ensembler som är uppbyggda spontant av kompletterande sådana, d.v.s. ha

geometrisk och kemisk överensstämmelse mellan fragment, liknande

spontan sammansättning av de mest komplexa rumsliga strukturerna i livet

bur. Ett av de grundläggande problemen med modern kemi är

riktad design av sådana system, skapande från molekylär

"byggstenar" av högt ordnade supramolekylära föreningar

med en given struktur och egenskaper. Supramolekylära formationer

kännetecknas av det rumsliga arrangemanget av deras komponenter, deras

arkitektur, ”överbyggnad”, samt typer av intermolekylära

interaktioner som håller samman komponenter. Allmänt

intermolekylära interaktioner är svagare än kovalenta bindningar, så

supramolekylära associerade föreningar är mindre termodynamiskt stabila, mer

kinetiskt labil och mer dynamiskt flexibel än molekyler.

Distansutbildningskurser är en modern form av effektiv tilläggsutbildning och avancerad utbildning inom området för utbildning av specialister för utveckling av lovande teknologier för produktion av funktionella material och nanomaterial. Detta är en av de lovande formerna av modern utbildning som utvecklas över hela världen. Denna form av kunskapsinhämtning är särskilt relevant inom ett så tvärvetenskapligt område som nanomaterial och nanoteknik. Fördelarna med distanskurser är deras tillgänglighet, flexibilitet i att konstruera utbildningsvägar, förbättrad effektivitet och effektivitet i processen för interaktion med studenter, kostnadseffektivitet jämfört med heltidskurser, som dock harmoniskt kan kombineras med distansutbildning. Inom området för grundläggande principer för nanokemi och nanomaterial har videomaterial utarbetats av Moscow State University Scientific and Educational Center for Nanotechnologies:

• . Grundläggande begrepp och definitioner av nanosystemvetenskap och nanoteknik. Historia om uppkomsten av nanoteknik och nanosystemvetenskap. Tvärvetenskap och multidisciplinaritet. Exempel på nanoobjekt och nanosystem, deras egenskaper och tekniska tillämpningar. Objekt och metoder för nanoteknik. Principer och framtidsutsikter för utvecklingen av nanoteknik.
• . Grundläggande principer för nanosystembildning. Fysikaliska och kemiska metoder. Processer för att erhålla nanoobjekt "från topp till botten". Klassisk, "mjuk", mikrosfär, jonstråle (FIB), AFM - litografi och nanoindentation. Mekanisk aktivering och mekanosyntes av nanoobjekt. Processer för att erhålla nanoobjekt "bottom-up". Kärnbildningsprocesser i gasformiga och kondenserade medier. Heterogen kärnbildning, epitaxi och heteroepitaxi. Spinodalt förfall. Syntes av nanoobjekt i amorfa (glasartade) matriser. Kemiska homogeniseringsmetoder (samfällning, sol-gel-metod, kryokemisk teknologi, aerosolpyrolys, solvotermisk behandling, superkritisk torkning). Klassificering av nanopartiklar och nanoobjekt. Tekniker för att erhålla och stabilisera nanopartiklar. Aggregering och disaggregering av nanopartiklar. Syntes av nanomaterial i en- och tvådimensionella nanoreaktorer.
• . Statistisk fysik av nanosystem. Funktioner av fasövergångar i små system. Typer av intra- och intermolekylära interaktioner. Hydrofobicitet och hydrofilicitet. Självmontering och självorganisering. Micellbildning. Självmonterade monolager. Langmuir-Blodgett filmer. Supramolekylär organisation av molekyler. Molekylär igenkänning. Polymermakromolekyler, metoder för deras framställning. Självorganisering i polymersystem. Mikrofasseparation av blocksampolymerer. Dendrimerer, polymerborstar. Lager-för-lager självmontering av polyelektrolyter. Supramolekylära polymerer.
• . Ämne, fas, material. Hierarkisk struktur av material. Nanomaterial och deras klassificering. Oorganiska och organiska funktionella nanomaterial. Hybrid (organiskt-oorganiskt och oorganiskt-organiskt) material. Biomineralisering och biokeramik. Nanostrukturerade 1D-, 2D- och 3D-material. Mesoporösa material. Molekylsiktar. Nanokompositer och deras synergistiska egenskaper. Strukturella nanomaterial.
• . Katalys och nanoteknik. Grundläggande principer och begrepp inom heterogen katalys. Inverkan av berednings- och aktiveringsförhållanden på bildningen av den aktiva ytan av heterogena katalysatorer. Strukturkänsliga och strukturokänsliga reaktioner. Specificitet av termodynamiska och kinetiska egenskaper hos nanopartiklar. Elektrokatalys. Katalys på zeoliter och molekylsilar. Membrankatalys.
• . Polymerer för konstruktionsmaterial och funktionssystem. "Smarta" polymersystem som kan utföra komplexa funktioner. Exempel på "smarta" system (polymervätskor för oljeproduktion, smarta fönster, nanostrukturerade membran för bränsleceller). Biopolymerer som de mest "smarta" systemen. Biomimetiskt tillvägagångssätt. Sekvensdesign för att optimera egenskaperna hos smarta polymerer. Problem med molekylär utveckling av sekvenser i biopolymerer.
• . Det nuvarande tillståndet och problemen med att skapa nya material för kemiska kraftkällor: bränsleceller med fast oxid (SOFC) och litiumbatterier beaktas. Strukturella nyckelfaktorer analyseras som påverkar egenskaperna hos olika oorganiska föreningar, vilka bestämmer möjligheten att de kan användas som elektrodmaterial: komplexa perovskiter i SOFC och övergångsmetallföreningar (komplexa oxider och fosfater) i litiumbatterier. De huvudsakliga anod- och katodmaterialen som används i litiumbatterier och som erkänns som lovande beaktas: deras fördelar och begränsningar, såväl som möjligheten att övervinna begränsningar genom riktade förändringar i atomstrukturen och mikrostrukturen hos kompositmaterial genom nanostrukturering för att förbättra egenskaperna av nuvarande källor.

Utvalda frågor diskuteras i följande bokkapitel (Binom Publishing):

Illustrativa material om nanokemi, självmontering och nanostrukturerade ytor:

Vetenskapligt populära "videoböcker":

Utvalda kapitel om nanokemi och funktionella nanomaterial.