Нанохімія - еволюція предмета дослідження в хімії. Основні напрямки та поняття нанохімії

Як зазначено вище, внаслідок схильності наномиру на межах класичної фізики та квантової механіки його об'єкти вже не можна розглядати як абсолютно однакові та статистично нерозрізні. Всі вони індивідуальні, і одна наночастка відрізняється від іншої складом, будовою та безліччю інших параметрів (наприклад, фулерени 60 і 70). Неможливо ігнорувати наявність неоднорідностей та нерегулярностей у структурі об'єкта та користуватися для його опису середніми, інтегральними характеристиками, як це прийнято у класичній фізиці. Особливість нанооб'єктів полягають у тому, що й розмір співмірний з радіусом дії сил міжатомного взаємодії, тобто. з відстанню, на яку повинні бути видалені атоми тіла, щоб їх взаємодія не позначилася на його властивостях помітною мірою. Внаслідок цієї особливості нанотіла взаємодіють один з одним і з навколишнім середовищем інакше, ніж макротіла. Наука, яка займається вивченням властивостей різних наноструктур, а також розробкою нових способів їх отримання, вивчення та модифікації отримала назву нанохімія. Вона досліджує отримання та властивості різних наносистем. Наносистемиявляють собою безліч тіл, оточених газовим або рідким середовищем. Такими тілами можуть бути багатоатомні кластери та молекули, нанокраплі та нанокристали. Це проміжні форми між атомами та макроскопічними тілами. Розмір систем залишається у межах 0,1-100 нм.

Одне з пріоритетних завдань цієї галузі знань – встановлення зв'язку між розміром наночастинки та її властивостями. У нанохімії надзвичайно велика роль квантових розмірних ефектів, що викликають зміну властивостей речовини в залежності від розміру частинок та кількості в них атомів чи молекул. Роль розмірних ефектів настільки велика, що робляться спроби створити таблиці залежності властивостей кластерів і наночастинок від їх розміру та геометрії на кшталт Періодичної таблиці. Квантові розмірні ефекти визначають такі властивості речовини, як теплоємність, електропровідність, деякі оптичні властивості тощо.

Зміни характеристик пов'язані з двома основними причинами: збільшенням частки поверхні та зміною електронної структури через квантові ефекти. Властивості атомів, що знаходяться поблизу поверхні, відрізняються від властивостей атомів, що знаходяться в обсязі матеріалу, тому поверхню частинки можна розглядати як особливий стан речовини. Чим більша частка атомів, що знаходяться на поверхні, тим сильніші ефекти, пов'язані з поверхнею (рис. 9).

Мал. 9. Зміна співвідношення «поверхневих» атомів (1) і об'єму матеріалу (2), що знаходяться в обсязі, залежно від розміру частинки.

Особливості електронної структури нанооб'єктів пояснюються посиленням квантових властивостей, пов'язаних із зменшенням розмірів. Незвичайні властивості наноструктур ускладнюють їхнє тривіальне технічне використання і одночасно відкривають зовсім несподівані технічні перспективи.

Суттєві відмінності у властивостях наночастинок починають виникати при розмірах частинок менше 100 нм. З енергетичної точки зору зменшення розмірів частинок призводить до зростання ролі поверхневої енергії, що веде до зміни фізичних і хімічних властивостей малих об'єктів.

Об'єктами дослідження нанохіміїє тіла з такою масою, що їх еквівалентний розмір (діаметр сфери, об'єм якої дорівнює об'єму тіла), залишається в межах наноінтервалу (0,1 – 100 нм). Умовно нанохімію можна розділити на теоретичну, експериментальну та прикладну (рис. 10).

Мал. 10. Структура нанохімії

Теоретична нанохіміярозробляє методи розрахунку поведінки нанотіл, враховуючи такі параметри стану частинок, як просторові координати та швидкості, маса, характеристики складу, форми та структури кожної наночастинки.

Експериментальна нанохіміярозвивається у трьох напрямках. У рамках першого, який цілком співвідноситься з розділом аналітичної хімії, розробляються і використовуються надчутливі фізико-хімічні методи, що дозволяють судити про структуру молекул і кластерів, що включають десятки і сотні атомів. Другенапрямок досліджує явища при локальних (місцевих) електричних, магнітних або механічних впливах на нанотіла, що реалізуються за допомогою нанозондів та спеціальних маніпуляторів. При цьому має на меті вивчити взаємодію окремих молекул газу з нанотелами і нанотіл один з одним, виявити можливість внутрішніх перегрупувань без руйнування молекул і кластерів та з їх розпадом. Даний напрямок також цікавить можливість «атомного складання» нанотіла потрібного зовнішнього вигляду при переміщенні атомів поверхнею підкладки (основного матеріалу, поверхня якого піддається різним видам обробки, в результаті чого утворюються шари з новими властивостями або нарощується плівка іншого матеріалу). У рамках третьогонапрями визначаються макрокінетичні характеристики колективів нанотіл та функцій їх розподілу за параметрами стану.

Прикладна нанохіміявключає: розробку теоретичних основ застосування наносистем у техніці та нанотехнології, методів передбачення розвитку конкретних наносистем в умовах їх використання, а також пошук оптимальних способів експлуатації ( технічна нанохімія); створення теоретичних моделей поведінки наносистем при синтезі наноматеріалів та пошук оптимальних умов їх отримання ( синтетична нанохімія); вивчення біологічних наносистем та створення методів використання наносистем у лікувальних цілях ( медична нанохімія); розробку теоретичних моделей освіти та міграції наночастинок у навколишньому середовищі та методів очищення природних вод або повітря від наночастинок ( екологічна нанохімія).

Говорячи про розміри об'єктів вивчення, слід враховувати, що межі наноінтервалу в хімії умовні. Властивості тіла різною мірою чутливі до його розміру. Деякі властивості втрачають специфіку при розмірі більше 10 нм, інші – більше 100 нм. Тому щоб менше властивостей виключалося з розгляду, верхню межу наноінтервалу приймають рівною 100 нм.

У цьому інтервалі будь-яка властивість специфічно залежить від його маси та обсягу. Тому об'єктом нанохімії можна вважати об'єкти, у яких взаємодії кожного атома з усіма іншими атомами є значущими.

Класифікацію об'єктів нанохімії можна проводити за різними ознаками. Наприклад, за фазового стану(Табл. 1).

За геометричною ознакою(мірності) нанооб'єкти можна класифікувати по-різному. Одні дослідники пропонують характеризувати мірність об'єкта кількістю вимірів, у яких об'єкт має макроскопічні розміри. Інші беруть за основу кількість наноскопічних вимірів.

У табл. 2 наведено основні об'єкти нанохімічних досліджень (наночастинки та відповідні їм наносистеми).

Класифікація нанооб'єктів за їх мірністю важлива не лише з формальної точки зору. Геометрія суттєво впливає на їх фізико-хімічні властивості. Розглянемо деякі найпріоритетніші об'єкти дослідження нанохімії.

Наночастки з атомів інертних газів. Є найпростішими нанооб'єктами. Атоми інертних газів із повністю заповненими електронними оболонками слабо взаємодіють між собою за допомогою сил Ван-дер-Ваальса. При описі таких частинок застосовується модель твердих кульок (рис. 11). Енергія зв'язку, тобто енергія, що витрачається на відрив окремого атома від наночастинки, дуже мала, тому частки існують при температурах не вище 10-100 К.

Мал. 11. Наночастинки із 16 атомів аргону.

Наночастинки металів. У металевих кластерах з кількох атомів можна реалізувати як ковалентний, і металевий тип зв'язку (рис. 12). Наночастинки металів мають велику реакційну здатність і часто використовуються як каталізатори. Наночастинки металів можуть набувати правильної форми – октаедра, ікосаедра, тетрадекаедра.

Мал. 12. Наночастинки, що складаються з атомів платини (білі сфери) та міді (сірі)

Фулерени. Є порожнистими всередині частинками, утвореними багатогранниками з атомів вуглецю, пов'язаних ковалентним зв'язком. Особливе місце серед фулеренів займає частка з 60 атомів вуглецю – C 60 , що нагадує мікроскопічний футбольний м'яч (рис. 13).

Мал. 13. Молекула фулерену C 60

Фулерени знаходять широке застосування: у створенні нових мастил та антифрикційних покриттів, нових типів палива, алмазоподібних сполук надвисокої твердості, датчиків та фарб.

Вуглецеві нанотрубки. Це порожнисті всередині молекулярні об'єкти, що складаються приблизно з 1 000 000 атомів вуглецю і є одношаровими або багатошаровими трубками діаметром від 1 до 30 нм і довжиною в кілька десятків мікрон. На поверхні нанотрубки атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників (рис. 14).

Мал. 14. Вуглецеві нанотрубки.

Нанотрубки мають ряд унікальних властивостей, завдяки яким знаходять широке застосування переважно у створенні нових матеріалів, електроніці та скануючої мікроскопії. Унікальні властивості нанотрубок: висока питома поверхня, електропровідність, міцність дозволяють створювати на їх основі ефективні носії каталізаторів для різних процесів. Наприклад, з нанотрубок роблять нові джерела енергії – паливні осередки, здатні працювати у багато разів довше, ніж прості батареї аналогічного розміру. Наприклад, нанотрубки з наночастинками паладію можуть компактно зберігати водень у тисячі разів більше за свій обсяг. Подальший розвиток технології паливних осередків дозволить зберігати в них у сотні та тисячі разів більше енергії, ніж у сучасних батареях.

Іонні кластери. Є класичною картиною, характерною для іонного зв'язку в кристалічній решітці хлориду натрію (рис. 15). Якщо іонна наночастка досить велика, її структура близька до структури об'ємного кристала. Іонні сполуки знаходять застосування у створенні фотоплівок з високою роздільною здатністю, молекулярних фотодетекторів, у різних галузях мікроелектроніки та електрооптики.

Мал. 15. Кластер NaCl.

Фрактальні кластери. Це об'єкти з розгалуженою структурою (рис. 16): сажа, колоїди, різні аерозолі та аерогелі. Фрактал – це такий об'єкт, у якому при зростаючому збільшенні можна побачити, як і сама структура повторюється у ньому всіх рівнях й у масштабі.

Рис.16. Фрактальний кластер

Молекулярні кластери(Супрамолекулярні системи). Кластери, що складаються з молекул. Більшість кластерів є молекулярними. Їх кількість і різноманітність величезна. Зокрема, до молекулярних кластерів належать багато біологічних макромолекул (рис. 17 та 18).

Мал. 17. Молекулярний кластер білка ферредоксину.

Мал. 18. Високоспінові молекулярні кластери

Нанохімія

Хімія та фармакологія

Як самостійна дисципліна нанонаука виділилася тільки в останні 7-10 років. Дослідження наноструктур є загальним напрямом багатьох класичних наукових дисциплін. Нанохімія серед них займає одне з провідних місць, оскільки відкриває практично необмежені можливості для розробки, отримання та дослідження.

ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ ОМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХІМІКО-БІОЛОГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ХІМІЇ ТА МЕТОДИКИ ВИКЛАДАННЯ ХІМІЇ

Нанохімія

Виконала: студентка 1-ХО Кукліна Н.Є.

Перевірив: к.х.н., доцент Брянський Б.Я.

Київ 2008

§1. Історія становлення нанонауки…………………………………………………………3

§2. Основні поняття нанонауки…………………………………………………………….5

§3. Особливості будови та поведінки деяких наночастинок……………………………8

§4. Види прикладного використання нанохімії……………………………………….....9

§5. Методи отримання наночастинок…………………………………………………………..10

§6. Наноматеріали та перспективи їх застосування………………………………………...11

Джерела інформації………………………………………………………………………13

§1. Історія становлення нанонауки

1905 р. Альберт Ейнштейн теоретично довів, що розмір молекули цукру ра вен 1 нанометру.

1931 р. Німецькі фізики Ернст Руска та Макс Кнолл створили електронний мікроо скоп, що забезпечує 10 15 -кратне збільшення.

1932 р. Голландський професор Фріц Церніке винайшов фазово-контрастний мідо роскоп ¦ варіант оптичного мікроскопа, що покращував якість показу деталей изобра ня, і досліджував з його допомогою живі клітини.

1939 р. Компанія Siemens, в якій працював Ернст Руска, випустила перший комерційний електронний мікроскоп із роздільною здатністю 10 нм.

1966 р. Американський фізик Рассел Янг, який працював у Національному бюро стан дартів, придумав двигун, застосовуваний сьогодні в скануючих тунельних мікроо скопах і позиціонування наноінструментів з точністю до 0,01 ангстрем (1 нанометр = 10 ангстрем).

1968 р. Виконавчий віце-президент компанії Bell Альфред Чо та співробітник її відділення з досліджень напівпровідників Джон Артур обґрунтували теоретичну можливість використання нанотехнологій у вирішенні завдань обробки поверхонь та досягнення атомної точності під час створення електронних приладів.

1974 р. Японський фізик Норіо Танігучі, який працював у Токійському університеті, запропонував термін "нанотехнології" (процес поділу, складання та зміни матеріа лов шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою), що швидко завоював популярність у наукових колах.

1982 р. У Цюріхському дослідному центрі IBM фізики Герд Бінніг і Ген рих Рорер створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), що дозволяє будувати тривимірну картину розташування атомів на поверхнях провідних матеріалів.

1985 р. Троє американських хіміків: професор Райського університету Річард Смеллі, а також Роберт Карл і Герольд Крото відкрили фулерени, молекули, склад.я щі з 60 атомів вуглецю, розташованих у формі сфери. Ці вчені також вперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.

1986 р. Герд Бінніг розробив скануючий атомно-силовий зондовий мікроо скоп, що дозволив, нарешті, візуалізувати атоми будь-яких матеріалів (не тількио провідних), а також маніпулювати ними.

1987 1988 рр. У НДІ "Дельта" під керівництвом П.М. Лускіновича запрацювала перша російська нанотехнологічна установка, що здійснювала спрямований догляд частинок з вістря зонда мікроскопа під впливом нагріву.

1989 р. Вчені Дональд Ейглер та Ерхард Швецер із Каліфорнійського наукового центру IBM зуміли викласти 35 атомами ксенону на кристалі нікелю назву своєї компанії.

1991 р. Японський професор Суміо Ліджіма, який працював у компанії NEC, таз користувався фулеренами для створення вуглецевих трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм.

1991 р. У США розпочалася перша нанотехнологічна програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю перейнявся і уряд Японії.

1998 р. Сіз Деккер, голландський професор Технічного університету м. Делфтса, створив транзистор на основі нанотрубок. Для цього йому довелося першим у світі зміне рити електричну провідність такої молекули.

2000 р. Німецький фізик Франц Гіссібл розгледів у кремнії субатомні частки. Його колега Роберт Магерле запропонував технологію нанотомографії, створення тример ної картини внутрішньої будови речовини з роздільною здатністю 100 нм.

2000 р. Уряд США відкрив Національну нанотехнологічну іні циативу (NNI). У бюджеті США на цей напрямок виділено 270 млн. дол., комерче ські компанії вклали в нього в 10 разів більше.

2002 р. Сіз Деккер поєднав вуглецеву трубку з ДНК, отримавши єдиний наноме ханізм.

2003 р. Професор Фенг Лью з університету Юти, використовуючи напрацювання Франца Гіссібла, за допомогою атомного мікроскопа побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їхнього обурення під час руху навколо ядра.

§2. Основні поняття нанонауки

Як самостійна дисципліна нанонаука виділилася тільки післяд ня 7-10 років. Дослідження наноструктур є загальним напрямом багатьох класичних наукових дисциплін. Нанохімія серед них займає одне з провідних місць, тому що відкриває практично необмежені можливості для розробки, отримання та дослідження нових наноматеріалів із заданими властивостями, нерідко перевершують за якістю природні матеріали.

Нанохімія - це наука, яка займається вивченням властивостей різних наносівт руктур, а також розробкою нових способів їх отримання, вивчення та модифікації.

Пріоритетне завдання нанохімії -встановлення зв'язку між розміром наноча стиці та її властивостями.

Об'єктами дослідження нанохіміїє тіла з такою масою, що їх еквіі валентний розмір залишається в межах наноінтервалу (0,1? 100 нм).

Нанорозмірні об'єкти займають проміжне положення між об'ємними матеріалами з одного боку, атомами і молекулами з іншого. Присутність таких проъ ектів у матеріалах надає їм нові хімічні та фізичні властивості. Нанооб'єкти є проміжною і сполучною ланкою між світом, в якому діють закони.о ни квантової механіки, і світом, в якому діють закони класичної фізики.

Характерні розміри об'єктів навколишнього світу

Нанохімія досліджує одержання та властивості різних наносистем.Наносистеми являють собою безліч тіл, оточених газовим або рідким середовищем. Такими те ламі можуть бути багатоатомні кластери та молекули, нанокраплі та нанокристали. Це проміжні форми між атомами та макроскопічними тілами. Розмір систем проз тається в межах 0,1 100 нм.

Класифікація об'єктів нанохімії за фазовим станом

Фазовий стан	Поодинокі атоми	Кластери	Наночастки	Компактна речовина
Діаметр, нм	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Понад 100
Кількість атомів	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Понад 10 9

Коло об'єктів досліджуваних нанохімією безперервно розширюється. Хіміки завжди прагнули зрозуміти, у чому полягають особливості тіл нанометрових розмірів. Це призвело до бурхливого розвитку колоїдної та макромолекулярної хімії.

У 80?90-х роках XX століття, завдяки методам електронної, атомно-силовоїн нельной мікроскопії, вдалося спостерігати за поведінкою нанокристалів металів і не органічних солей, білкових молекул, фулеренів і нанотрубок, а в останні роки та кі спостереження стали масовими.

Об'єкти нанохімічних досліджень

Наночастки	Наносистеми
Фулерени	Кристали, розчини
Тубулени	Агрегати, розчини
Молекули білків	Розчини, кристали
Полімерні молекули	Золі, гелі
Нанокристали неорганічних веществ	Аерозолі, колоїдні розчини, опади
Міцели	Колоїдні розчини
Наноблоки	Тверді тіла
Плівки Ленгмюра Блоджет	Тіла з плівкою на поверхні
Кластери у газах	Аерозолі
Наночастинки в шарах різнихеществ	Наноструктуровані плівки

Таким чином, можна виділити такі основні характеристики нанохімії:

1. Геометричні розміри об'єктів лежать у нанометровому масштабі;
2. Прояв нових властивостей об'єктами та їх сукупностями;
3. Можливість контролю та точного маніпулювання об'єктами;
4. Об'єкти та пристрої, зібрані на базі об'єктів отримують нові споживачіьські властивості.

§3. Особливості будови та поведінки деяких наночастинок

Наночастки з атомів інертних газівє найпростішими нанообъ ектами. Атоми інертних газів із повністю заповненими електронними оболонками слабо взаємодіють між собою за допомогою сил Ван-дер-Ваальса. При описі таких частинок застосовується модель твердих кульок.

Наночастинки металів. У металевих кластерах із кількох атомів може бути реалізований як ковалентний, так і металевий тип зв'язку. Наночастинки металів мають велику реакційну здатність і часто використовуються як каталіз.а рів. Наночастинки металів зазвичай приймають правильну форму октаедра, ікоса едра, тетрадекаедра.

Фрактальні кластери¦ це об'єкти з розгалуженою структурою: сажа, кол лоїди, різні аерозолі та аерогелі. Фрактал - це такий об'єкт, в якому при віціз таючому збільшенні можна побачити, як одна і та ж структура повторюється в ньому на всіх рівнях і в будь-якому масштабі.

Молекулярні кластерикластери, що складаються з молекул. Більшість класте рів є молекулярними. Їх число та різноманітність величезні. Зокрема, до молоку лярним кластерам відносяться багато біологічних макромолекул.

Фулерени являють собою порожнисті всередині частинки, утворені багатогран никами з атомів вуглецю, пов'язаних ковалентним зв'язком. Особливе місце серед фуллеріве нов займає частка з 60 атомів вуглецю | 60 , що нагадує мікроскопічний футбольний м'яч.

Нанотрубки Це порожнисті всередині молекули, що складаються приблизно з 1.000.000 ато мов вуглецю і є одношарові трубки діаметром близько нанометра і довжиною в кілька десятків мікрон. На поверхні нанотрубки атоми вуглецю розп.о кладені у вершинах правильних шестикутників.

§4. Види прикладного використання нанохімії

Умовно нанохімію можна поділити на:

• Теоретична
• Експериментальна
• Прикладна

Теоретична нанохіміярозробляє методи розрахунку поведінки нанотіл, враховуючи такі параметри стану частинок, як просторові координатио сти, маса, характеристики складу, форми та структури кожної наночастинки.

Експериментальна нанохіміярозвивається у трьох напрямках.У рамках першого розробляються і використовуються надчутливі спектральні методию ні можливість судити про структуру молекул, що включають десятки та сотні атомів.У рамках другогонапрями досліджуються явища при локальних (місцевих) електриче ських, магнітних або механічних впливів на нанотіла, що реалізуються за допомогою нанозондів та спеціальних маніпуляторів.У рамках третьогонапрямки визначают ся макрокінетичні характеристики колективів нанотел і функцій розподілу на нот за параметрами стану.

Прикладна нанохіміявключає в себе:

• Розробка теоретичних основ застосування наносистем у техніці та нанотехно логії, методів передбачення розвитку конкретних наносистем в умовах їх таз користування, а також пошук оптимальних способів експлуатації (технічнаа нохімія).
• Створення теоретичних моделей поведінки наносистем під час синтезу наномате ріалів та пошук оптимальних умов їх отримання (синтетична нанохімія).
• Вивчення біологічних наносистем та створення методів використання наносіві стем з лікувальною метою (медична нанохімія).
• Розробка теоретичних моделей освіти та міграції наночастинок в окр.у довкілля та методів очищення природних вод або повітря від наночастинок (еко логічна нанохімія).

§5. Методи отримання наночастинок

Принципово всі методи синтезу наночастинок можна розділити на великі групи:

Диспергаційні методи, або методи отримання наночастинок шляхом подрібнення звичайного макрозразку.

конденсаційні методи, або методи «вирощування» наночастинок з окремих атомів

Диспергаційні методи

При диспергаційних методах вихідні тіла подрібнюють до наночастинок. Даний підхід до отримання наночастинок образно називається деякими вченими"підхід зверху вниз" . Це найпростіший із усіх способів створення наночастинок, свого роду “м'яс”о рубання” для макротіл. Даний метод широко використовується у виробництві матеріалів для мікроелектроніки, він полягає у зменшенні розмірів об'єктів до нановеличин у межах можливостей промислового обладнання та матеріалу, що використовується. Із дрібнішати речовину в наночастинки можна як механічно. Російська компанія «Передові порошкові технології» отримує наночастки, підриваючи металеву нитку потужним імпульсом струму.

Існують і екзотичніші способи отримання наночастинок. Американські вчені у 2003 році зібрали з листя фігового дерева мікроорганізми Rhodococcus і помістили їх у золотовмісний розчин. Бактерії діяли як хімічний вз Автор, збираючи з іонів срібла акуратні наночастинки діаметром близько 10 нм. Будуючи наночастки, бактерії почувалися нормально і продовжували розмножуватися.

Конденсаційніметоди

При конденсаційних методах ("підхід знизу вгору") наночастки отримують пу об'єднання окремих атомів. Метод полягає в тому, що у контрольованих уз ловія відбувається формування ансамблів з атомів та іонів. В результаті утворюються нові об'єкти з новими структурами та, відповідно, з новими властивостями, які можна програмувати шляхом зміни умов формування ансамблів. Цей под хід полегшує вирішення проблеми мініатюризації об'єктів, наближає до вирішення низки проблем літографії високої роздільної здатності, створення нових мікропроцесорів, тонких полімерних плівок, нових напівпровідників.

§6. Наноматеріали та перспективи їх застосування

Вперше концепція наноматеріалів була сформульована в80-х роках XX століття Г. Глейтером, який ввів у науковий ужиток і сам термін «наноматеріал ». Крім традиційних наноматеріалів (таких як хімічні елементи та сполуки, аморфні речовини, метали та їх сплави) до них відносять нанонапівпровідники, нанополімери, на нопористі матеріали, нанопорошки, численні вуглецеві наноструктури, на нобіоматеріали, супрамолекулярні структури та каталізатори.

Чинниками, що визначають унікальні властивості наноматеріалів, є розмірні, електронні і квантові ефекти наночастинок, що їх утворюють, а також їх дуже розвинена поверхня. Численними дослідженнями показано, що означаєь ні та технічно цікаві зміни фізико-механічних властивостей наноматеріалів (міцність, твердість і т.д.) відбуваються в інтервалі розмірів частинок від декількох на метрів до 100 нм. В даний час вже отримано багато наноматеріалів на основі нітридів і боридів з розміром кристалітів близько 1?2 нм і менше.

Завдяки специфічним властивостям наночастинок, що лежать у їх основі, такі мате ріали часто перевершують «звичайні» за багатьма параметрами. Наприклад, міцність метал ла, отриманого засобами нанотехнології, перевищує міцність звичайного в 1,5?3 рази, його твердість більше в 50?70 разів, а корозійна стійкість в 10?12 разів.

Області застосування наноматеріалів:

• елементи наноелектроніки та нанофотоніки (напівпровідникові транзистори та лазери; фотодетектори; сонячні елементи; різні сенсори)
• пристрої надщільного запису інформації
• телекомунікаційні, інформаційні та обчислювальні технології, супір комп'ютери
• відеотехніка плоскі екрани, монітори, відеопроектори
• молекулярні електронні пристрої, у тому числі перемикачі та електронні схеми на молекулярному рівні
• паливні елементи та пристрої зберігання енергії
• пристрої мікро- та наномеханіки, у тому числі молекулярні мотори та наномотори, нанороботи
• нанохімія та каталіз, в тому числі управління горінням, нанесення покриттів, еледо тримімія та фармацевтика
• авіаційні, космічні та оборонні програми пристрою контролю стануя ня навколишнього середовища
• цільова доставка ліків та протеїнів, біополімери та загоєння біологічних тканин, клінічна та медична діагностика, створення штучних муску лов, кісток, імплантація живих органів
• біомеханіка, геноміка, біоінформатика, біоінструментарій
• реєстрація та ідентифікація канцерогенних тканин, патогенів та біологічно шкідливих агентів; безпеку у сільському господарстві та при виробництві харчових продуктів.

Омська область готова розвивати нанотехнології

Розвиток нанотехнологій - один із пріоритетних напрямків розвитку науки, технологій та техніки в Омському регіоні.

Так, в Омській філії Інституту фізики напівпровідників СО РАН ведетьсяз робіт наноелектроніки, а в Інституті проблем переробки вуглеводнів СО РАН ведуться роботи з одержання нанопористих вуглецевих носіїв та каталізаторів.

Джерела інформації:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 KB Оснащення уроку: Презентація Початок Великої Вітчизняної війни де використовується карта початкового періоду війни фрагменти документальних фільмів про війну схема про готовність Німеччини та СРСР до війни виставка книг присвячених Великій Вітчизняній війні...

Для поняття нанотехнологія, мабуть, немає вичерпного визначення, але з аналогії з існуючими нині мікротехнологіями слід, що нанотехнології - це технології, оперують величинами порядку нанометра. Тому перехід від "мікро" до "нано" - це якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами. Коли йдеться про розвиток нанотехнологій, маються на увазі три напрями: виготовлення електронних схем (у тому числі й об'ємних) з активними елементами, розмірами, порівнянними з розмірами молекул і атомів; розробка та виготовлення наномашин; маніпуляція окремими атомами та молекулами та складання з них макрооб'єктів. Розробки у цих напрямках ведуться вже давно. У 1981 році було створено тунельний мікроскоп, що дозволяє переносити окремі атоми. Тунельний ефект - квантове явище проникнення мікрочастинки з однієї класично доступної області руху до іншої, відокремлену від першої потенційним бар'єром. Основою винайденого мікроскопа є дуже гостра голка, що ковзає над досліджуваною поверхнею із зазором менше одного нанометра. При цьому електрони з вістря голки тунелюють через цей зазор підкладку.

Однак, крім дослідження поверхні, створення нового типу мікроскопів відкрило принципово новий шлях формування елементів нанометрових розмірів. Були отримані унікальні результати щодо переміщення атомів, їх видалення та осадження в задану точку, а також локальної стимуляції хімічних процесів. З того часу технологія була значно вдосконалена. Сьогодні ці досягнення використовуються у повсякденному житті: виробництво будь-яких лазерних дисків, а тим більше виробництво DVD неможливе без використання нанотехнічних методів контролю.

Нанохімія – це синтез нанодисперсних речовин та матеріалів, регулювання хімічних перетворень тіл нанометрового розміру, запобігання хімічній деградації наноструктур, способи лікування хвороб із використанням нанокристалів.

Нижче наведено напрями досліджень у нанохімії:

• - розробка методів збирання великих молекул з атомів за допомогою наноманіпуляторів;
• - вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань атомів при механічних, електричних та магнітних впливах. Синтез наноструктур у потоках надкритичної рідини; розробка способів спрямованої збірки з утворенням фрактальних, каркасних, трубчастих та стовпчастих наноструктур.
• - розробка теорії фізико-хімічної еволюції ультрадисперсних речовин та наноструктур; створення способів запобігання хімічній деградації наноструктур.
• - отримання нових нанокаталізаторів для хімічної та нафтохімічної промисловості; вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах
• - вивчення механізмів нанокристалізації в пористих середовищах в акустичних полях; синтез наноструктур у біологічних тканинах; розробка способів лікування хвороб шляхом формування наноструктур у тканинах із патологією.
• - Дослідження явища самоорганізації в колективах нанокристалів; пошук нових способів пролонгування стабілізації наноструктур хімічними модифікаторами
• - Очікуваним результатом буде функціональний ряд машин, що забезпечує:
• - методологію вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань при локальних впливах на молекули.
• - нові каталізатори для хімічної промисловості та лабораторної практики;
• - оксидно-рідкоземельні та ванадієві нанокаталізатори з широким спектром дії.
• - методологію запобігання хімічній деградації технічних наноструктур;
• – методики прогнозу хімічної деградації.
• - наноліки для терапії та хірургії, препарати на основі гідроксіапатиту для стоматології;
• - спосіб лікування онкологічних захворювань шляхом проведення внутрішньопухлинної нанокристалізації та накладання акустичного поля.
• - методи створення наноструктур шляхом спрямованого агрегування нанокристалів;
• - Методики регулювання просторової організації наноструктур.
• - нові хімічні рецептори з ультрадисперсною активною фазою; методи збільшення чутливості сенсорів хімічним модифікуванням

Нанохімія - Це наука, яка займається вивченням властивостей різних наноструктур, а також розробкою нових способів їх отримання, вивчення та модифікації.

Одне з пріоритетних завдань нанохімії – встановлення зв'язку між розміром наночастки та її властивостями.

Об'єктами дослідження нанохімії є тіла з такою масою, що їхній еквівалентний розмір (діаметр сфери, об'єм якої дорівнює об'єму тіла) залишається в межах наноінтервалу (0,1 – 100 нм)

Внаслідок схильності наномиру на межах класичної фізики та квантової механіки його об'єкти вже не можна розглядати як абсолютно однакові та статистично нерозрізні. Всі вони індивідуальні, і одна наночастка відрізняється від іншої наночастинки складом, будовою та безліччю інших параметрів

Нанохімія перебуває у стадії швидкого розвитку, тому за її

вивченні постійно виникають питання, пов'язані з поняттями та термінами.

Чіткі відмінності між термінами "кластер", "наночастка" та "квантова"

точка” поки що не сформульовані. Термін "кластер" частіше використовують для

більших агрегатів атомів і поширений для опису властивостей

металів та вуглецю. Під поняттям "квантова точка" зазвичай

маються на увазі частинки напівпровідників і острівців, де квантові

обмеження носіїв зарядів чи екситонів впливають з їхньої властивості.

Теоретична нанохіміярозробляє методи розрахунку поведінки нанотіл, враховуючи такі параметри стану частинок, як просторові координати та швидкості, маса, характеристики складу, форми та структури кожної наночастинки.

Експериментальна нанохіміярозвивається у трьох напрямках.

1. У рамках першого розробляються і використовуються надчутливі спектральні методи, що дозволяють судити про структуру молекул, що включають десятки та сотні атомів.

2. Друге напрямок досліджує явища при локальних (місцевих) електричних, магнітних або механічних впливах на нанотіла, що реалізуються за допомогою нанозондів та спеціальних маніпуляторів. При цьому має на меті вивчити взаємодію окремих молекул газу з нанотілами і нанотіл один з одним, виявити можливість внутрішньомолекулярних перегрупувань без руйнування молекул і з їх розпадом. Даний напрямок також цікавить можливість «атомного складання» нанотела потрібного габітуса(Зовнішнього вигляду) при переміщенні атомів по поверхні підкладки (основного матеріалу, поверхня якого піддається різним видам обробки, в результаті чого утворюються шари з новими властивостями або нарощується плівка іншого матеріалу).

3. У рамках третього напрями визначаються макрокінетичні характеристики колективів нанотіл та функцій їх розподілу за параметрами стану.

Прикладна нанохіміявключає в себе:

§ розробку теоретичних основ застосування наносистем у техніці та нанотехнології, методів передбачення розвитку конкретних наносистем в умовах їх використання, а також пошук оптимальних способів експлуатації ( технічна нанохімія);

§ створення теоретичних моделей поведінки наносистем при синтезі наноматеріалів та пошук оптимальних умов їх отримання ( синтетична нанохімія);

§ вивчення біологічних наносистем та створення методів використання наносистем у лікувальних цілях ( медична нанохімія);

§ розробку теоретичних моделей освіти та міграції наночастинок у навколишньому середовищі та методів очищення природних вод чи повітря від наночастинок ( екологічна нанохімія).

Медицина та охорона здоров'я. Отримано дані про те, що застосування

наноустрій та наноструктурних поверхонь може на порядок підвищити

ефективність аналізу в такій трудомісткій галузі біології, як розшифровка

генетичного коду. Розвиток методів визначення індивідуальних

генетичних особливостей призвело до революції в діагностиці та лікуванні

хвороб. Крім оптимізації призначення лікарських препаратів,

нанотехнологія дозволила розробити нові методи доставки ліків до

хворим органам, а також значно збільшити ступінь їхнього лікувального

дії. Досягнення нанотехнологій використовуються в дослідженнях з

клітинної біології та патології. Розвиток нових аналітичних методик,

придатних для роботи в нанометровому масштабі, що значно підвищило

ефективність досліджень хімічних та механічних властивостей клітин

(включаючи розподіл та рух), а також дозволило вимірювати характеристики

окремих молекул. Ці нові методики стали суттєвим доповненням

методик, пов'язаних із дослідженням функціонування живих організмів.

Крім того, регульоване створення наноструктур призводить до створення нових

біосумісних матеріалів із підвищеними характеристиками.

Молекулярні складові біологічних систем (білки, нуклеїнові10)

кислоти, ліпіди, вуглеводи та їх біологічні аналоги) є прикладами

матеріалів, чия структура та властивості визначаються в наномасштабі. Багато

природні наноструктури та наносистеми утворюються за допомогою

біологічних методів самоскладання. Штучні неорганічні та

органічні наноматеріали можуть вводитися в клітини, які використовують для

діагностики (наприклад, за допомогою створення квантових, що візуалізуються)

«точок») і застосовуватися як їх активні компоненти.

Підвищення обсягу пам'яті та швидкодії ЕОМ за допомогою

нанотехнологій дозволило перейти до моделювання макромолекулярних

сіток у реальному оточенні. Такі розрахунки надзвичайно важливі для

розробки біосумісних трансплантатів та нових типів ліків.

Перерахуємо деякі перспективні застосування нанотехнологій у

біології:

Швидке та ефективне розшифрування генетичних кодів, що

представляє інтерес для діагностики та лікування.

Ефективне та дешевше медичне обслуговування з

використанням дистанційного керування та пристроїв, що працюють

усередині живих організмів

Нові методи введення та розподілу ліків в організмі, що мало

б велике значення для підвищення ефективності лікування (наприклад,

доставка препаратів до певних місць в організмі)

Розробка більш стійких та не відторганих організмом штучних

тканин та органів

Розробка сенсорних систем, які могли б сигналізувати про

виникнення хвороб усередині організму, що дозволило б лікарям

займатися не скільки лікуванням, скільки діагностикою та

попередженням захворювань

Об'єкти супрамолекулярної хімії

Вперше термін «супрамолекулярна хімія» було запроваджено 1978 р.

лауреатом Нобелівської премії французьким хіміком Жаном-Марі Леном та

визначено як «хімія, що описує складні освіти, які є

результатом асоціації двох (або більше) хімічних частинок, пов'язаних разом

міжмолекулярними силами». Приставка «супра» відповідає російській

приставці "над".

Супрамолекулярна (надмолекулярна) хімія (Supramolecular)

chemistry) - міждисциплінарна галузь науки, що включає хімічні,

фізичні та біологічні аспекти розгляду складніших, ніж

молекули, хімічні системи, пов'язані в єдине ціле за допомогою

міжмолекулярних (нековалентних) взаємодій

Об'єктами супрамолекулярної хімії є супрамолекулярні

ансамблі, що будуються мимоволі з комплементарних, тобто мають

геометрична та хімічна відповідність фрагментів, подібно

мимовільне складання найскладніших просторових структур у живій

клітини. Однією з фундаментальних проблем сучасної хімії є

спрямоване конструювання таких систем, створення з молекулярних

«будівельних блоків» високоупорядкованих супрамолекулярних сполук

із заданою структурою та властивостями. Супрамолекулярні утворення

характеризуються просторовим розташуванням своїх компонентів, їх

архітектурою, «супраструктурою», а також типами міжмолекулярних

взаємодій, що утримують компоненти разом. В цілому

міжмолекулярні взаємодії слабші, ніж ковалентні зв'язки, отже

супрамолекулярні асоціати менш стабільні термодинамічно, більш

лабільні кінетично і більш гнучкі динамічно, ніж молекули.

Дистанційні освітні курси є сучасною формою ефективної додаткової освіти та підвищення кваліфікації в галузі підготовки фахівців для розвитку перспективних технологій отримання функціональних матеріалів та наноматеріалів. Це одна з перспективних форм сучасної освіти, що розвиваються в усьому світі. Особливо актуальною є подібна форма отримання знань у такій міждисциплінарній галузі, як наноматеріали та нанотехнології. Перевагами дистанційних курсів є їхня доступність, гнучкість у побудові освітніх маршрутів, покращення ефективності та оперативності процесу взаємодії зі слухачами, економічна ефективність порівняно з очною формою, яка, тим не менш, може гармонійно поєднуватися з дистанційною підготовкою. В галузі фундаментальних основ нанохімії та наноматеріалів підготовлено відеоматеріали Науково-освітнього Центру МДУ з нанотехнологій:

• . Основні поняття та визначення наук про наносистеми та нанотехнології. Історія виникнення нанотехнологій та наук про наносистеми. Міждисциплінарність та мультидисциплінарність. Приклади нанооб'єктів та наносистем, їх особливості та технологічні програми. Об'єкти та методи нанотехнологій. Принципи та перспективи розвитку нанотехнологій.
• . Основні засади формування наносистем. Фізичні та хімічні методи. Процеси отримання нанооб'єктів "згори - вниз". Класична, "м'яка", мікросферна, іонно-пучкова (FIB), АСМ - літографія та наноіндентування. Механоактивація та механосинтез нанооб'єктів. Процеси отримання нанооб'єктів «знизу вгору». Процеси зародка утворення в газових та конденсованих середовищах. Гетерогенне зародокутворення, епітаксія та гетероепітаксія. Спінодальний розпад. Синтез нанооб'єктів у аморфних (склоподібних) матрицях. Методи хімічної гомогенізації (співосадження, золь-гель метод, кріохімічна технологія, піроліз аерозолів, сольвотермальна обробка, надкритична сушка). Класифікація наночастинок та нанооб'єктів. Прийоми одержання та стабілізації наночастинок. Агрегація та дезагрегація наночастинок. Синтез наноматеріалів в одно та двовимірних нанореакторах.
• . Статистична фізика наносистем. Особливості фазових переходів у малих системах. Типи внутрішньо- та міжмолекулярних взаємодій. Гідрофобність та гідрофільність. Самоскладання та самоорганізація. Міцелоутворення. Самошарові моношари. Плівки Ленгмюра - Блоджетт. Супрамолеклярна організація молекул. Молекулярне розпізнавання. Полімерні макромолекули, методи їх одержання. Самоорганізація у полімерних системах. Мікрофазне розшарування блок-кополімерів. Дендрімери, полімерні щітки. Пошарове самозбирання поліелектролітів. Супрамолекулярні полімери.
• . Речовина, фаза, матеріал. Ієрархічна будова матеріалів. Наноматеріали та їх класифікація. Неорганічні та органічні функціональні наноматеріали. Гібридні (органо-неорганічні та неоргано-органічні) матеріали. Біомінералізація та біокераміка. Наноструктуровані 1D, 2D та 3D матеріали. Мезопористі матеріали. Молекулярні сита. Нанокомпозити та їх синергетичні властивості. Конструкційні наноматеріали.
• . Каталіз та нанотехнології. Основні принципи та уявлення в гетерогенному каталізі. Вплив умов приготування та активації на формування активної поверхні гетерогенних каталізаторів. Структурно-чутливі та структурно-нечутливі реакції. Специфіка термодинамічних та кінетичних властивостей наночастинок. Електрокаталіз. Каталіз на цеолітах та молекулярних ситах. Мембранний каталіз.
• . Полімери для конструкційних матеріалів та для функціональних систем. "Розумні" полімерні системи, здатні виконувати складні функції. Приклади "розумних" систем (полімерні рідини для нафтовидобутку, розумні вікна, наноструктуровані мембрани для паливних елементів). Біополімери як найрозумніші системи. Біоміметичний підхід. Дизайн послідовностей для оптимізації властивостей "розумних" полімерів. Проблеми молекулярної еволюції послідовностей у біополімерах.
• . Розглядаються сучасний стан та проблеми створення нових матеріалів для хімічних джерел струму: твердооксидних паливних елементів (ТОТЕ) та літієвих акумуляторів. Аналізуються ключові структурні фактори, що впливають на властивості різних неорганічних сполук, які визначають можливість їх застосування як електродних матеріалів: складних перовскітів у ТОТЕ та сполук перехідних металів (складних оксидів та фосфатів) у літієвих акумуляторах. Розглядаються основні анодні та катодні матеріали, що застосовуються в літієвих акумуляторах та визнані перспективними: їх переваги та обмеження, а також можливості подолання обмежень спрямованою зміною атомної структури та мікроструктури композиційних матеріалів шляхом наноструктурування з метою покращення характеристик джерел струму.

Окремі питання розглянуті у наступних розділах книг (видавництво Біном):

Ілюстративні матеріали з нанохімії, самоскладання та наноструктурованих поверхонь:

Науково - популярні "відеокниги":

Вибрані розділи нанохімії та функціональні наноматеріали.