Nanokjemi er en gren av kjemi som studerer egenskapene, strukturen og egenskapene til kjemiske transformasjoner av nanopartikler. Et særtrekk ved nanokjemi er tilstedeværelsen av en størrelseseffekt - en kvalitativ endring i fysisk-kjemiske egenskaper og reaktivitet når antall atomer eller molekyler i en partikkel endres. Vanligvis observeres denne effekten for partikler mindre enn 10 nm, selv om denne verdien har en betinget verdi.

Retningslinjer for forskning i nanokjemi

Utvikling av metoder for å sette sammen store molekyler fra atomer ved bruk av nanomanipulatorer; studie av intramolekylære omorganiseringer av atomer under mekanisk, elektrisk og magnetisk påvirkning.

Syntese av nanostrukturer i superkritiske væskestrømmer; utvikling av metoder for målrettet montering av nanokrystaller.

Utvikling av teorien om fysisk-kjemisk evolusjon av ultradisperse stoffer og nanostrukturer; skape måter å forhindre kjemisk nedbrytning av nanostrukturer.

Anskaffelse av nye katalysatorer for kjemisk og petrokjemisk industri; studerer mekanismen for katalytiske reaksjoner på nanokrystaller.

Studie av nanokrystalliseringsmekanismer i porøse medier i akustiske felt; syntese av nanostrukturer i biologisk vev.

Studie av fenomenet selvorganisering i kollektiver av nanokrystaller; søke etter nye måter å forlenge stabiliseringen av nanostrukturer med kjemiske modifiseringsmidler.

Målet med forskningen er å utvikle et funksjonelt utvalg av maskiner som gir:

Nye katalysatorer for kjemisk industri og laboratoriepraksis.

Metodikk for å forhindre kjemisk nedbrytning av tekniske nanostrukturer; metoder for å forutsi kjemisk nedbrytning.

Får nye medisiner.

En metode for behandling av onkologiske sykdommer ved å utføre intratumoral nanokrystallisering og påføre et akustisk felt.

Nye kjemiske sensorer; metoder for å øke sensorfølsomheten.

Nanoteknologi i energi og kjemisk industri

Nanoteknologi (gresk nanos - "dverg" + "techno" - kunst, + "logoer" - undervisning, konsept) er et tverrfaglig felt innen grunnleggende og anvendt vitenskap og teknologi, som omhandler innovative metoder (i områdene teoretisk begrunnelse, eksperimentelle metoder av forskning, analyse og syntese, samt innen nye industrier) skaffe nye materialer med spesifiserte ønskede egenskaper. Nanoteknologi bruker de nyeste teknologiene for å manipulere enkeltatomer eller molekyler (bevegelse, omorganiseringer, nye kombinasjoner). En rekke metoder brukes (mekaniske, kjemiske, elektrokjemiske, elektriske, biokjemiske, elektronstråler, laser) for kunstig organisering av en gitt atom- og molekylstruktur av nanoobjekter.

Nanoteknologi i energi

Nanoteknologi innen energi og maskinteknikk

På dette området går utviklingen av vitenskap og teknologi i to retninger:

1- opprettelse av strukturelle materialer,

2- overflate nanoteknikk

Oppretting av strukturelle materialer,

For å lage fundamentalt nye strukturelle materialer med inkludering av ultradisperse (eller nanodisperse) elementer, fulgte vi følgende vei. Den første er tilsetning av ultrafine elementer som legerende tilsetningsstoffer. For konstruksjonsmaterialer innen maskinteknikk og energi er fullerener eksotiske og svært kostbare.Den andre retningen er dannelsen av ultradisperse systemer (UDS) av ikke-metalliske inneslutninger i stål og legeringer, utført gjennom termoplastisk, termisk eller plastisk deformasjon. Det viste seg at ytelsesegenskapene til strukturelle materialer kan kontrolleres ikke bare ved å introdusere legeringskomponenter, som ifølge metallurger nesten er uttømt, men også ved å bruke deformasjon av enhver art. Med denne effekten blir ikke-metalliske inneslutninger knust. Tradisjonell gløding og temperering er ikke annet enn nanoteknologi innen metallurgi.

Som et resultat av slike påvirkninger er det mulig å oppnå stål (nitrogenstål i Prometheus) hvor høy styrke er kombinert med duktilitet, det vil si nettopp de egenskapene som mangler i energisektoren, i maskinteknikk, for å få materialer med gitte egenskaper. Og nanoteknologi gjør det mulig å lykkes med å skaffe slike materialer.

Send ditt gode arbeid i kunnskapsbasen er enkelt. Bruk skjemaet nedenfor

Studenter, hovedfagsstudenter, unge forskere som bruker kunnskapsbasen i studiene og arbeidet vil være deg veldig takknemlig.

postet på http://www.allbest.ru/

UDDANNELSES- OG VITENSKAPSMINISTERIET I DEN RUSSISKE FØDERASJON

Federal State Educational Institute of Higher Education

Magnitogorsk State Technical University oppkalt etter. G.I. Nosov"

Institutt for fysisk kjemi og kjemisk teknologi

i faget "History of Chemistry and Chemical Technology"

om emnet "Nanokjemi"

Utøver: Ksenia Olegovna Perevalova, 2. års student, gruppe ZTHB-15.1

Leder: Ponurko Irina Vitalievna, førsteamanuensis, kandidat for tekniske vitenskaper, førsteamanuensis

Magnitogorsk, 2017

Introduksjon

2. Grunnleggende begreper innen nanovitenskap

Konklusjon

Liste over kilder som er brukt

Introduksjon

I historien om menneskelig utvikling kan flere viktige historiske stadier identifiseres knyttet til utviklingen av nye materialer og teknologier.

I dag har vitenskapen kommet nær muligheten for direkte påvirkning på individuelle atomer og molekyler, noe som har skapt en fundamentalt ny utviklingstrend, samlet kalt nanoteknologi. Oppretting og forskning av strukturer og objekter med kontrollerte parametere og spesifiserte egenskaper på nanoskala er et av vår tids viktigste teknologiske problemer. Dette skyldes de unike egenskapene til materialer i en nanostrukturert tilstand, nær fundamentale begrensninger, muligheten for å lage "smarte" materialer med forhåndsbestemte programmerbare egenskaper, utviklingen av nye teknologier for å behandle materialer og modifisere deres overflate, med den generelle trenden mot miniatyrisering av produkter, etablering av fundamentalt nye objekter, enheter og til og med nye industrier.

Nanoteknologi representerer et bredt spekter av vitenskapelige, teknologiske og industrielle områder, samlet til en enkelt teknologisk kultur basert på operasjoner med materie på nivå med individuelle atomer og molekyler. Vi snakker ikke bare om ny teknologi, men om prosesser som vil endre alle segmenter av industri og områder av menneskelig aktivitet, inkludert informasjonsmiljøet, helsevesenet, økonomien og den sosiale sfæren.

Innføringen av nanoteknologi krever etablering av nye tilnærminger til ingeniørutdanning og tilpasning til nye ideer.

Denne studien undersøker hovedaspektene ved nanoteknologi.

1. Historie om dannelsen av nanovitenskap

Forhistorien til moderne nanoteknologi er knyttet til flere hundre år gammel forskningsinnsats fra forskere fra mange land i verden og har sin egen lange historiske sti. La oss se på de viktigste stadiene.

1661 Den irske fysikeren og kjemikeren R. Boyle, en av grunnleggerne av Royal Society of London, påpekte i sitt arbeid "The Skeptical Chemist" den potensielle betydningen av de minste partiklene - klynger ("korpuskler").

Forfatteren kritiserte Aristoteles sitt syn på materie som består av fire grunnleggende prinsipper (jord, ild, vann og luft), og antydet at alle materielle objekter består av ultrasmå blodlegemer som er ganske stabile og danner ulike stoffer og objekter i ulike kombinasjoner.

Deretter ble ideene til Democritus og Boyle akseptert av det vitenskapelige samfunnet.

1857 Den engelske fysikeren M. Faraday, grunnleggeren av læren om det elektromagnetiske feltet, var den første som oppnådde stabile kolloidale løsninger av gull (væskesystemer med bittesmå partikler av den spredte fasen, som beveger seg fritt og uavhengig av hverandre i prosessen med Brownsk bevegelse). Deretter begynte kolloidale løsninger å bli mye brukt for dannelsen av nanosystemer.

1861 introduserte den engelske kjemikeren T. Graham delingen av stoffer i henhold til graden av spredning av strukturen i kolloidal (amorf) og krystalloid (krystallinsk).

Et eksempel på den første bruken av nanoteknologi kan betraktes som oppfinnelsen i 1883 av den amerikanske oppfinneren D. Eastman, grunnlegger av det berømte selskapet Kodak, av en rull med fotografisk film, som er en emulsjon av sølvhalogenid påført en gjennomsiktig elastisk base. (for eksempel fra celluloseacetat), som brytes ned under påvirkning av lys for å danne nanopartikler rent sølv, som er pikslene i bildet.

1900 introduserte den tyske fysikeren M. Planck begrepet handlingskvante (Plancks konstant) - utgangspunktet for kvanteteorien, hvis bestemmelser er essensielle for å beskrive oppførselen til nanosystemer.

1905 Den første forskeren som brukte målinger i nanometer regnes for å være den berømte fysikeren A. Einstein, som teoretisk beviste at størrelsen på et sukkermolekyl er lik en nanometer (10 -9 m).

1924 la den franske fysikeren Louis de Broglie frem ideen om materiens bølgeegenskaper, og la dermed grunnlaget for kvantemekanikk, som studerer bevegelsen til mikropartikler. Kvantemekanikkens lover er spesielt relevante når man lager strukturer i nanoskala.

1931 tyske fysikere M. Knoll og E. Ruska opprettet et elektrontransmisjonsmikroskop, som ble prototypen på en ny generasjon enheter som gjorde det mulig å se inn i nanoobjektenes verden.

1939 Siemens ga ut det første industrielle elektronmikroskopet med ? 10 nm.

Den amerikanske fysikeren, nobelprisvinneren R. Feynman i 1959, uttrykte i en berømt forelesning ved California Institute of Technology, kjent som "There's Plenty of Room at the Bottom", ideer for å kontrollere strukturen til materie på atomnivå: "Ved å lære å regulere og kontrollere strukturer på atomnivå vil vi skaffe materialer med helt uventede egenskaper og oppdage helt uvanlige effekter.

Utviklingen av manipulasjonsteknikker på atomnivå vil løse mange problemer." Dette foredraget ble på en måte et startskudd for nanorforskning. Mange visjonære ideer uttrykt av R. Feynman som virket fantastiske (om å gravere flere atomer brede linjer ved hjelp av en elektronstråle, om å manipulere individuelle atomer for å lage nye små strukturer, om å lage elektriske kretser på en nanometerskala, om å bruke nanostrukturer i biologiske systemer) er i dag er allerede implementert.

1966 Den amerikanske fysikeren R. Young, som jobbet ved National Bureau of Standards, oppfant piezomotoren, som brukes i dag i skanningsprobemikroskoper for presis posisjonering av nanoinstrumenter.

1968 Ansatte i den vitenskapelige avdelingen til det amerikanske selskapet Bell A. Cho og D. Arthur utviklet det teoretiske grunnlaget for overflatenanobehandling.

1971 Bell- og IBM-selskapene produserte de første halvlederfilmene med monoatomisk tykkelse - kvantebrønner, som markerte begynnelsen på æraen med "praktisk" nanoteknologi.

R. Young fremmet ideen om Topografiner-enheten, som fungerte som prototypen til sondemikroskopet.

1974 Begrepet "nanoteknologi" ble først foreslått av den japanske fysikeren N. Taniguchi i sin rapport "On the Basic Concept of Nanotechnology" på en internasjonal konferanse lenge før starten på storskala arbeid på dette området. Begrepet ble brukt for å beskrive den ultrafine behandlingen av materialer med nanometerpresisjon. Begrepet "nanoteknologi" ble foreslått for å referere til mekanismer som er mindre enn en mikrometer i størrelse.

1981 tyske fysikere G. Binning og G. Rohrer, ansatte i IBM (International Business Machines Corporation), opprettet et skanningstunnelmikroskop (Nobelprisen 1986) - den første enheten som ikke bare lar deg få et tredimensjonalt bilde av en struktur fra et elektrisk ledende materiale med oppløsningsrekkefølge etter størrelse på enkeltatomer, men også for å påvirke materie på atomnivå, dvs. manipulere atomer, og derfor sette sammen alle stoffer direkte fra dem.

1985 Et team av forskere bestående av G. Croto (England), R. Curl, R. Smalley (USA) oppdaget en ny allotropisk form for eksistensen av karbon i naturen - fulleren og studerte dets egenskaper (Nobelprisen 1996). Muligheten for eksistensen av sfæriske svært symmetriske karbonmolekyler ble spådd i 1970 av japanske forskere E. Osawa og Z. Yoshilda.

I 1973 brukte russiske forskere D. A. Bochvar og E. G. Galpern teoretiske kvantekjemiske beregninger for å bevise stabiliteten til slike molekyler.

1986 Et skanende atomkraftmikroskop ble opprettet (forfattere: G. Binning, K. Kuatt, K. Gerber, IBM-ansatte, Nobelprisen 1992), som, i motsetning til skanningstunnelmikroskopet, gjorde det mulig å studere atomstrukturen til ikke bare ledende, men også alle materialer, inkludert organiske molekyler, biologiske gjenstander, etc.

Nanoteknologi har blitt kjent for allmennheten. Det grunnleggende systemkonseptet, som forsto tidligere prestasjoner, ble gjengitt i boken til den amerikanske futurologen, ansatt i laboratoriet for kunstig intelligens ved Massachusetts Institute of Technology E. Drexler, "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology". Forfatteren spådde den aktive utviklingen og praktiske anvendelsen av nanoteknologi. Denne prognosen, beregnet i mange tiår, blir begrunnet steg for steg og betydelig frem i tid.

1987 Den første enkeltelektrontransistoren ble skapt av amerikanske fysikere T. Futon og G. Dolan (Bell Labs).

Den franske fysikeren J.M. Len introduserte begrepene "selvorganisering" og "selvmontering" i bruk, som ble nøkkelbegreper i utformingen av nanoobjekter.

1988-1989 To uavhengige grupper av forskere ledet av A. Fehr og P. Grünberg oppdaget fenomenet gigantisk magnetisk motstand (GMR) - en kvantemekanisk effekt observert i tynne filmer av alternerende ferromagnetiske og ikke-magnetiske lag, manifestert i en betydelig reduksjon i elektrisk motstand i nærvær av et eksternt magnetfelt. Bruk av denne effekten gjør det mulig å registrere data på harddisker med atomær informasjonstetthet (Nobelprisen 2007).

1989 Den første praktiske prestasjonen til nanoteknologi ble demonstrert: ved hjelp av et skanningstunnelmikroskop produsert av IBM, amerikanske forskere D. Eigler,

E. Schweitzer la ut tre bokstaver i firmalogoen (“IBM”) fra 35 xenon-atomer ved å flytte dem sekvensielt på overflaten av en nikkel-enkeltkrystall.

1990 Et team av forskere ledet av W. Kretschmer (Tyskland) og

D. Huffman (USA) skapte en effektiv teknologi for syntese av fullerener, som bidro til den intensive studien av egenskapene deres og identifiseringen av lovende områder for deres anvendelse.

1991 Den japanske fysikeren S. Iijima oppdaget en ny form for karbon

native klynger er karbon nanorør, som viser en hel rekke unike egenskaper og er grunnlaget for revolusjonerende transformasjoner innen materialvitenskap og elektronikk.

I Japan begynte et statlig program for utvikling av teknologi for å manipulere atomer og molekyler å bli implementert - Atomic Technology-prosjektet.

1993 Det første nanoteknologilaboratoriet ble organisert i USA.

1994 En laser basert på selvorganiserte kvanteprikker ble demonstrert for første gang (D. Bimberg, Tyskland).

1998 Den nederlandske fysikeren S. Dekker skapte den første nanotransistoren basert på nanorør.

Japan har lansert Astroboy-programmet for å utvikle nanoelektronikk som kan operere i verdensrommet.

1999 Amerikanske forskere M. Reed og D. Tour utviklet enhetlige prinsipper for å manipulere både ett molekyl og deres kjede.

Elementbasen til mikroelektronikk har krysset 100 nm-merket.

2000 USA lanserte et storstilt nanoteknologiforskningsprogram kalt National Nanotechnology Initiative (NNI).

Den tyske fysikeren R. Magerle foreslo teknologien for nanotomografi - å lage et tredimensjonalt bilde av den indre strukturen til et stoff med en oppløsning på 100 nm. Prosjektet ble finansiert av Volkswagen.

2002 ansatte ved Hewlett Research Center

Packard (USA) F. Kukes og S. Williams patenterte en teknologi for å lage mikrokretser basert på kryssende nanotråder med kompleks logikk implementert på molekylært nivå.

S. Dekker koblet et karbon nanorør med DNA, og oppnådde en enkelt nanomekanisme.

2004 Grafen ble laget ved University of Manchester (Storbritannia) - et materiale med en grafittstruktur ett atom tykt, en lovende erstatning for silisium i integrerte kretsløp (forskerne A. Geim og K. Novoselov ble tildelt Nobelprisen i 2010 for dannelse av grafen).

2005 Altar Nanotechnologies (USA) annonserte etableringen av et nanobatteri.

2006 Forskere fra Northwestern University i USA utviklet den første "trykkpressen" for nanostrukturer - et anlegg som tillater produksjon av mer enn 50 tusen nanostrukturer samtidig i nanoskalaområdet med atompresisjon og den samme molekylære malen på overflaten, som er grunnlaget for fremtidig masseproduksjon av nanosystemer.

Amerikanske forskere fra IBM lyktes for første gang i verden å lage en fullt funksjonell integrert krets basert på et karbon nanorør.

D. Tour fra Rice University (USA) skapte det første bevegelige nanosystemet - en molekylær maskin ~ 4 nm i størrelse.

En gruppe forskere fra University of Portsmouth (UK) har utviklet den første DNA-baserte elektroniske bionanoteknologibryteren, som er et lovende grunnlag for kommunikasjon mellom "verdenen" av levende organismer og "verdenen" av datamaskiner.

Forskere fra California Institute of Technology (USA) har utviklet den første bærbare biosensor-blodanalysatoren (bærbart laboratorium "lab-on-chip").

2007 Intel (USA) begynte å produsere prosessorer som inneholder det minste strukturelle elementet som måler ~ 45 nm.

Ansatte ved Georgia Institute of Technology (Georgia, USA) har utviklet skanningslitografiteknologi med en oppløsning på 12 nm.

Ovennevnte og andre studier, oppdagelser og oppfinnelser ga en kraftig drivkraft til bruken av nanoteknologiske metoder i industrien. Den raske utviklingen av anvendt nanoteknologi har begynt.

De første kommersielle nanomaterialene dukket opp - nanopulver, nanobelegg, bulk nanomaterialer, nanokjemiske og nanobiologiske preparater; de første elektroniske enhetene og sensorene for ulike formål basert på nanoteknologi ble opprettet; Det er utviklet en rekke metoder for å produsere nanomaterialer.

Mange land rundt om i verden har deltatt aktivt i forskning på nanoteknologispørsmål på regjerings- og statsoverhodet nivå, og vurdert utsiktene for fremtiden. I ledende universiteter og institutter i verden (USA, Tyskland, Japan, Russland, England, Frankrike, Italia, Sveits, Kina, Israel, etc.) er det opprettet laboratorier og avdelinger for nanostrukturer, ledet av kjente forskere.

Nanoteknologi brukes allerede i de viktigste områdene av menneskelig aktivitet - radioelektronikk, informasjonsteknologi, energi, transport, bioteknologi, medisin og forsvarsindustrien.

I dag er mer enn 50 land rundt om i verden involvert i nanorforskning.

Åtte nobelpriser er delt ut for unike forskningsresultater på dette området.

2. Grunnleggende begreper innen nanovitenskap

Nanovitenskap har dukket opp som en selvstendig disiplin bare de siste 7-10 årene. Studiet av nanostrukturer er en felles retning for mange klassiske vitenskapelige disipliner. Nanokjemi inntar en av de ledende stedene blant dem, da den åpner for nesten ubegrensede muligheter for utvikling, produksjon og forskning av nye nanomaterialer med spesifiserte egenskaper, ofte overlegne i kvalitet enn naturlige materialer.

Nanokjemi er en vitenskap som studerer egenskapene til ulike nanostrukturer, samt utviklingen av nye metoder for deres produksjon, studier og modifikasjoner.

Den prioriterte oppgaven til nanokjemi er å etablere en sammenheng mellom størrelsen på en nanopartikkel og dens egenskaper.

Objektene for nanokjemiforskning er kropper med en slik masse at deres ekvivalente størrelse forblir innenfor nanointervallet (0,1 - 100 nm).

Objekter i nanoskala inntar en mellomposisjon mellom bulkmaterialer på den ene siden og atomer og molekyler på den andre. Tilstedeværelsen av slike gjenstander i materialer gir dem nye kjemiske og fysiske egenskaper. Nanoobjekter er en mellomliggende og forbindende kobling mellom verden der kvantemekanikkens lover opererer og verdenen der lovene i klassisk fysikk opererer.

Figur 1. Karakteristiske størrelser på objekter i omverdenen

Nanokjemi studerer forberedelsen og egenskapene til ulike nanosystemer. Nanosystemer er mange kropper omgitt av en gass eller flytende medium. Slike legemer kan være polyatomiske klynger og molekyler, nanodråper og nanokrystaller. Dette er mellomformer mellom atomer og makroskopiske legemer. Størrelsen på systemene forblir i området 0,1 - 100 nm.

Tabell 1. Klassifisering av nanokjemiske objekter etter fasetilstand

nanovitenskap nanopartikkel nanokjemi klassifisering

Utvalget av objekter studert av nanokjemi utvides stadig. Kjemikere har alltid søkt å forstå hva som er spesielt med nanometerstore kropper. Dette førte til den raske utviklingen av kolloidal og makromolekylær kjemi.

På 80-90-tallet av 1900-tallet, takket være metodene for elektron-, atomkraft- og tunnelmikroskopi, var det mulig å observere oppførselen til nanokrystaller av metaller og uorganiske salter, proteinmolekyler, fullerener og nanorør, og de siste årene observasjoner har blitt utbredt.

Tabell 2. Objekter for nanokjemisk forskning

Nanopartikler	Nanosystemer
Fullerenes	Krystaller, løsninger
Tubulener	Aggregater, løsninger
Proteinmolekyler	Løsninger, krystaller
Polymer molekyler	Soler, geler
Nanokrystaller av uorganiske stoffer	Aerosoler, kolloidale løsninger, nedbør
	Kolloide løsninger
Nanoblokker	Faste stoffer
Langmuir-filmer - Blodgett	Kroppene med en film på overflaten
Klynger i gasser	Aerosoler
Nanopartikler i lag av ulike stoffer	Nanostrukturerte filmer

Dermed kan følgende hovedkjennetegn ved nanokjemi skilles:

1. De geometriske dimensjonene til objekter er på en nanometerskala;

2. Manifestasjon av nye egenskaper ved gjenstander og deres samlinger;

3. Mulighet for kontroll og presis manipulering av objekter;

4. Gjenstander og enheter satt sammen på grunnlag av objekter får nye forbrukeregenskaper.

3. Funksjoner ved strukturen og oppførselen til noen nanopartikler

Nanopartikler laget av inerte gassatomer er de enkleste nanoobjektene. Atomer av inerte gasser med fullstendig fylte elektronskall samhandler svakt med hverandre gjennom van der Waals-krefter. Når man skal beskrive slike partikler, brukes hardball-modellen.

Metall nanopartikler. I metallklynger med flere atomer kan både kovalente og metalliske typer bindinger realiseres. Metallnanopartikler er svært reaktive og brukes ofte som katalysatorer. Metallnanopartikler har vanligvis vanlige former - oktaeder, icosahedron, tetradekaeder.

Fraktale klynger er gjenstander med en forgrenet struktur: sot, kolloider, ulike aerosoler og aerogeler. En fraktal er et objekt der du med økende forstørrelse kan se hvordan den samme strukturen gjentas i den på alle nivåer og i alle skalaer.

Molekylære klynger er klynger som består av molekyler. De fleste klynger er molekylære. Antallet og variasjonen deres er enorm. Spesielt hører mange biologiske makromolekyler til molekylære klynger.

Fullerener er hule partikler dannet av polyedre av karbonatomer forbundet med en kovalent binding. En spesiell plass blant fullerener er okkupert av en partikkel med 60 karbonatomer - C60, som ligner en mikroskopisk fotball.

Nanorør er hule molekyler som består av omtrent 1 000 000 karbonatomer og er enkeltlagsrør med en diameter på omtrent en nanometer og en lengde på flere titalls mikron. På overflaten av et nanorør er karbonatomer plassert i hjørnene til vanlige sekskanter.

4. Typer anvendt bruk av nanokjemi

Konvensjonelt kan nanokjemi deles inn i:

1. Teoretisk

2. Eksperimentell

3. Påført

Teoretisk nanokjemi utvikler metoder for å beregne oppførselen til nanokropper, og tar hensyn til parametere for partiklers tilstand som romlige koordinater og hastigheter, masse, egenskaper ved sammensetningen, formen og strukturen til hver nanopartikkel.

Eksperimentell nanokjemi utvikler seg i tre retninger. Innenfor rammen av de første utvikles og brukes ultrasensitive spektralmetoder, som gjør det mulig å bedømme strukturen til molekyler som inneholder titalls og hundrevis av atomer. Innenfor rammen av den andre retningen studeres fenomener under lokal (lokal) elektrisk, magnetisk eller mekanisk påvirkning på nanokropper, implementert ved hjelp av nanoprober og spesielle manipulatorer. Innenfor rammen av den tredje retningen bestemmes de makrokinetiske egenskapene til kollektiver av nanokropper og distribusjonsfunksjonene til nanokropper i henhold til tilstandsparametere.

Anvendt nanokjemi inkluderer:

Utvikling av teoretiske grunnlag for bruk av nanosystemer innen ingeniør- og nanoteknologi, metoder for å forutsi utviklingen av spesifikke nanosystemer under bruksbetingelsene, samt søket etter optimale operasjonsmetoder (teknisk nanokjemi).

Opprettelse av teoretiske modeller for oppførselen til nanosystemer under syntesen av nanomaterialer og søk etter optimale forhold for deres produksjon (syntetisk nanokjemi).

Studie av biologiske nanosystemer og etablering av metoder for bruk av nanosystemer til medisinske formål (medisinsk nanokjemi).

Utvikling av teoretiske modeller for dannelse og migrering av nanopartikler i miljøet og metoder for å rense naturlig vann eller luft fra nanopartikler (miljønanokjemi).

5. Metoder for å oppnå nanopartikler

Fremstilling av nanopartikler i gassfasen:

1 Innhenting av nanopartikler i prosessen med "fordampning - kondensering".

Følgende prosesser utføres oftest i gassfasen: fordampning - kondensasjon (fordamping i en elektrisk lysbue og i plasma); avsetning; topokjemiske reaksjoner (reduksjon, oksidasjon, dekomponering av fastfasepartikler). I fordampnings-kondensasjonsprosessen fordampes flytende eller faste stoffer ved en kontrollert temperatur i en lavtrykks inertgassatmosfære, etterfulgt av kondensering av dampen i et kjølemedium eller på kjøleinnretninger. Denne metoden gjør det mulig å oppnå partikler som varierer i størrelse fra to til flere hundre nanometer. Nanopartikler med en størrelse på mindre enn 20 nm er vanligvis sfæriske i form, mens større kan virke fasetterte.

Vanligvis plasseres stoffet som skal fordampes i et varmekammer med en varmeovn og et hull (membran), gjennom hvilket de fordampede partiklene av stoffet kommer inn i et vakuumrom (med et trykk på ca. 0,10 Pa), hvor en molekylstråle er dannet. Partiklene, som beveger seg nesten lineært, kondenserer på det avkjølte substratet. Gass pumpes ut av enheten gjennom en ventil. Kildetemperaturen velges avhengig av den nødvendige intensiteten til molekylstrålen og likevektstrykket over det fordampede materialet. Det kan være høyere eller lavere enn smeltepunktet til stoffet.

Det skal bemerkes at noen stoffer (for eksempel Sn og Ge) fordamper både i form av individuelle atomer og i form av små klynger. I lavintensitets molekylære stråler oppnådd ved effusjon gjennom en åpning i varmekammeret, observeres en jevn fordeling av små klynger. Hovedfordelen med molekylstrålemetoden er evnen til ganske nøyaktig å regulere stråleintensiteten og kontrollere hastigheten på partikkeltilførselen inn i kondensasjonssonen.

2 Gassfaseproduksjon av nanopartikler.

Metoden med lavintensiv molekylstråle kombineres ofte med kjemiske avsetningsmetoder. Avsetning utføres nær eller direkte på den kalde overflaten av apparatet under kontrollert temperatur og redusert trykk for å redusere sannsynligheten for partikkelkollisjoner.

For gassfaseproduksjon av nanopartikler brukes installasjoner som er forskjellige i metodene for tilførsel og oppvarming av det fordampede materialet, sammensetningen av det gassformige mediet, metodene for å utføre kondensasjonsprosessen og valg av det resulterende pulveret. For eksempel avsettes pulveret på en avkjølt roterende sylinder eller trommel og skrapes av den i en mottaksbeholder.

Designdiagrammet for et apparat for gassfasesyntese av metallnanopulver inkluderer et arbeidskammer, en avkjølt trommel, en skraper, en trakt, en mottaksbeholder for pulver, en oppvarmet rørreaktor og en enhet for kontrollert tilførsel av fordampet materiale og bæregass. I en rørreaktor blir det fordampede materialet blandet med en inert bærergass og overført til gassfasetilstand.

Den resulterende kontinuerlige strømmen av klynger eller nanopartikler strømmer fra reaktoren inn i arbeidskammeret til apparatet, der det dannes et trykk i størrelsesorden 1 - 50 Pa. Kondensering av nanopartikler og deres avsetning i form av pulver skjer på overflaten av en avkjølt roterende trommel. Ved hjelp av en skrape fjernes pulveret fra overflaten av trommelen; så går den gjennom en trakt inn i en mottaksbeholder og sendes til videre behandling.

I motsetning til fordampning i et vakuum, mister atomer av et stoff som er fordampet i en foreldet atmosfære raskt kinetisk energi på grunn av kollisjoner med gassatomer og danner krystallkjerner (klynger). Når de kondenserer, dannes nanokrystallinske partikler. Således, i prosessen med kondensering av aluminiumdamp i et miljø av hydrogen, helium og argon ved forskjellige gasstrykk, oppnås partikler med en størrelse på 20 - 100 nm.

3 Fremstilling av nanopartikler ved bruk av topokjemiske reaksjoner.

Ved å bruke topokjemiske reaksjoner av visse gassformige medier med metallnanopartikler i øyeblikket av kondensering fra dampfasen, er det mulig å oppnå nanopartikler av de ønskede forbindelsene. For å oppnå den nødvendige forbindelsen kan interaksjonen mellom det fordampede metallet og reagensgassen sikres direkte i gassfasen.

I metoden for gassfasekjemiske reaksjoner skjer syntesen av nanomaterialer på grunn av kjemiske transformasjoner som skjer i en atmosfære av damper av svært flyktige stoffer. Halogenider (spesielt metallklorider), metalloksyklorider MeOnClm, alkoksyder Me(OR)n, alkylforbindelser Me(R)n, metalldamper og så videre er mye brukt som startreagenser. Denne metoden kan produsere nanomaterialer av bor, kjønrøk, metaller, legeringer, nitrider, karbider, silicider, sulfider og andre forbindelser.

Når man syntetiserer nanomaterialer ved hjelp av metoden under vurdering, er egenskapene til de resulterende produktene i stor grad påvirket av utformingen av reaktorene, metoden for oppvarming av reagensene, temperaturgradienten under prosessen og en rekke andre faktorer.

Gassfasekjemiske reaksjoner utføres vanligvis i ulike typer rørformede reaktorer. De mest utbredte er reaktorer med ekstern oppvarming av reaksjonssonen. Kvartsforbindelser, keramiske materialer eller alumina brukes som strukturelle materialer for reaksjonssonen til apparatet.

Topokjemisk interaksjon av gassfasen med pulver brukes til å påføre forskjellige belegg på partiklene og introdusere modifiserende tilsetningsstoffer. I dette tilfellet er det nødvendig å regulere graden av ujevnhet i prosessen slik at den faste fasen bare frigjøres på overflaten av partiklene, og ikke i volumet mellom partiklene. For eksempel inkluderer topokjemiske reaksjoner interaksjonen av oksider med nitrogen i nærvær av karbon for syntese av nitrider. På denne måten syntetiseres pulver av silisium, aluminium, titan og zirkoniumnitrider.

Sammensetningen av den inerte gassen påvirker hastigheten på partikkelvekst. Tyngre atomer i miljøet tar mer intensivt energi fra de kondenserte atomene og bidrar derved til vekst av partikler, akkurat som en reduksjon i kjøletemperaturen også bidrar til vekst av partikler. Ved å endre gasstrykket i apparatet og sammensetningen av det gassformige mediet er det mulig å oppnå nanopartikler av ulike størrelser. Å erstatte helium med argon eller xenon øker dermed størrelsen på de resulterende nanopartikler flere ganger.

Produksjonen av nanopulver i gassfasen forenkles av den relativt lave overflatespenningen ved fast-gass-grensesnittet; En økning i overflatespenning fører til komprimering av nanopartikler i tilslaget. Samtidig akselererer høy temperatur diffusjonsprosesser, noe som fremmer partikkelvekst og dannelse av solide broer mellom partikler. Hovedproblemet med metoden som vurderes er separasjonen av nanopartikler fra gassfasen under forhold når konsentrasjonen av partikler i gasstrømmen er lav og gasstemperaturen er ganske høy. For å fange nanopartikler brukes spesielle filterinnretninger (for eksempel metallkeramiske filtre, elektriske utfellere), sentrifugalsedimentering av faste partikler i sykloner og hydrosykloner, og spesielle gassentrifuger.

Nanopartikler kan dannes som et resultat av høytemperaturnedbrytning av faste stoffer som inneholder metallkationer, molekylære anioner eller organometalliske forbindelser. Denne prosessen kalles termolyse. For eksempel kan små litiumpartikler oppnås ved dekomponering av litiumazid LiIII. Stoffet legges i et evakuert kvartsrør og varmes opp til 400 C i installasjonen. Ved en temperatur på ca. 370 C dekomponerer azidet med frigjøring av gassformig N2, som kan bestemmes av trykkøkningen i det evakuerte rommet. Etter noen minutter synker trykket til det opprinnelige nivået, noe som indikerer at all N2 er fjernet. De gjenværende litiumatomene kombineres for å danne små kolloidale metallpartikler. Denne metoden kan produsere partikler med størrelser mindre enn 5 nm. Partikler kan passiveres ved å innføre en passende gass i kammeret.

Fremstilling av nanopartikler i væskefasen:

1 Kjemisk kondensering.

Kjemiske metoder for å produsere nanopartikler og ultradisperse systemer har vært kjent i ganske lang tid. En kolloidal løsning av gull (rød) sol med en partikkelstørrelse på 20 nm ble oppnådd i 1857. M. Faraday. Den aggregerte stabiliteten til solen forklares av dannelsen av et dobbelt elektrisk lag ved fast-løsning-grensesnittet og utseendet til en elektrostatisk komponent med usammenhengende trykk, som er hovedfaktoren i stabiliseringen av dette systemet.

Den enkleste og mest brukte metoden er syntese av nanopartikler i løsninger gjennom ulike reaksjoner. For å oppnå metallnanopartikler brukes reduksjonsreaksjoner, hvor aluminium og borhydrider, tetraborater, hypofosfitter og mange andre uorganiske og organiske forbindelser brukes som reduksjonsmidler.

Partikler av metallsalter og oksider i nanostørrelse oppnås oftest i utvekslings- og hydrolysereaksjoner. For eksempel kan en gullsol med en partikkelstørrelse på 7 nm oppnås ved å redusere gullklorid med natriumborhydrid ved å bruke dodekantiol som stabilisator. Tioler er mye brukt for å stabilisere halvledernanopartikler. Denne metoden har ekstremt brede muligheter og lar en skaffe materialer som inneholder biologisk aktive makromolekyler.

2 Utfelling i løsninger og smelter.

Nedbør i løsninger.

De generelle mønstrene for dannelsen av nanopartikler i flytende medier avhenger av mange faktorer: sammensetningen og egenskapene til det opprinnelige stoffet (løsning, smelte); arten av faselikevektsdiagrammet for systemet som vurderes; en metode for å skape overmetning av en løsning eller smelte; utstyret som brukes og dets driftsmoduser.

Ved syntese av de nødvendige fasene varmebehandles pulveret etter tørking eller disse fasene kombineres til én. Etter varmebehandling deles aggregatene til nanopartikkelstørrelser.

Utgangsmaterialene og løsningsmidlet er valgt slik at biprodukter kan fjernes fullstendig fra målproduktet under vask og etterfølgende varmebehandling uten å forurense miljøet. For effektivt å blande reagenser, brukes blandeanordninger med ulike typer blandere (propell, stang, turbin), sirkulasjonsblanding ved hjelp av pumper (sentrifugal og gir), dispergeringsanordninger (dyser, dyser, injektorer, roterende skiver, akustiske sprøyter, etc.) .

På den ene siden, for å øke reaktorproduktiviteten, må løseligheten til utgangsstoffene være høy. Men når man oppnår nanopartikler, vil dette øke masseinnholdet i den resulterende suspensjonen og sannsynligheten for å kombineres til aggregater.

På den annen side, for å sikre en høy grad av ikke-likevekt i prosessen med dannelse av den faste fasen, er det nødvendig å bruke mettede løsninger av utgangsstoffene. For å opprettholde en liten andel av nanopartikler i suspensjonen, er det tilrådelig å bruke lett løselige utgangsstoffer. I dette tilfellet vil reaktorens produktivitet reduseres. En annen mulighet er å bruke en liten mengde utfellingsmiddel og et stort overskudd av utfellingsmiddel. Ved avsetning i vandige løsninger brukes løsninger av ammoniakk, ammoniumkarbonat, oksalsyre eller ammoniumoksolat oftest som utfellingsmidler. Som utgangsmaterialer for utfelling velges godt løselige salter av salpetersyre, saltsyre eller eddiksyre.

Ved å regulere pH og temperatur i løsningen er det mulig å skape forhold for produksjon av høyt dispergerte hydroksyder. Produktet blir deretter kalsinert og om nødvendig redusert. De resulterende metallpulverene har en størrelse på 50 - 150 nm og en sfærisk eller nær sfærisk form. Avsetningsmetoden kan brukes til å oppnå metalloksyd og metalloksydmaterialer, sammensetninger basert på dem, forskjellige ferritter og salter.

Det kritiske stadiet som bestemmer egenskapene til det resulterende pulveret er dets separasjon fra væskefasen. Med fremveksten av et gass-væske-grensesnitt øker Laplace-kreftene og komprimerbare partikler kraftig. Som et resultat av virkningen av disse kreftene oppstår trykktrykk i størrelsesorden megapascal i partikler i nanostørrelse, som brukes når makropartikler komprimeres til monolittiske porøse produkter. I dette tilfellet skapes hydrotermiske forhold i aggregatets porer, noe som fører til en økning i løseligheten av partikler og styrking av aggregater på grunn av oppløsnings-kondensasjonsmekanismen. Partiklene kombineres til et sterkt aggregat, og deretter til en separat krystall.

For å fjerne væskefasen fra sedimentet, brukes prosessene med filtrering, sentrifugering, elektroforese og tørking. Sannsynligheten for dannelse av holdbare tilslag kan reduseres ved å erstatte vann med organiske løsemidler, samt bruke overflateaktive stoffer, frysetørking og bruke et tørkemiddel under superkritiske forhold.

En variant av teknologien for å produsere nanopartikler i flytende medier er kontrollert oppløsning av større partikler i egnede løsemidler. For å gjøre dette er det nødvendig å bremse eller til og med stoppe prosessen med deres oppløsning i nanostørrelsesområdet. Ved å bruke samme metode er det mulig å korrigere størrelsene på partikler oppnådd ved de listede metodene i tilfeller hvor størrelsen viser seg å være større enn nødvendig.

Nedbør i smelter.

Med denne metoden er det flytende mediet smeltede salter eller metaller (smeltede salter brukes oftest). Dannelsen av den faste fasen skjer ved en tilstrekkelig høy temperatur, når diffusjonsprosesser forårsaker en høy hastighet av krystallvekst. Hovedproblemet i dette tilfellet er å unngå fangst av sideforbindelser av det syntetiserte pulveret. For å isolere det syntetiserte pulveret etter avkjøling, løses saltet i egnede løsningsmidler.

Ved å endre graden av ikke-likevekt i prosessen, kan strukturen til materialet justeres. Hvis prosessen stoppes på det stadiet da den faste fasen er nanostørrelse, kan et nanomateriale fås. Dette er imidlertid svært vanskelig å gjøre på grunn av den høye hastigheten for diffusjonsmasseoverføring ved en ganske høy temperatur i miljøet.

Denne metoden er mer lovende for å oppnå nanopartikler ved å løse opp de originale større partiklene. I dette tilfellet er det mulig å oppnå en nanokompositt umiddelbart hvis et oppløsende medium, for eksempel et glassaktig, spiller rollen som en matrise for nanopartikler.

3 Sol-gel metode.

Sol-gel-metoden inkluderer flere teknologiske hovedfaser. Til å begynne med oppnås vandige eller organiske løsninger av utgangsstoffene. Soler (kolloidale systemer) med en fast dispergert fase og et flytende dispersjonsmedium dannes fra løsninger for å oppnå en sol, for eksempel brukes hydrolyse av salter av svake baser eller alkoholater. Du kan også bruke andre reaksjoner som fører til dannelse av stabile og konsentrerte soler (for eksempel bruk av peptisatorer - stoffer som forhindrer nedbrytning av partikkelaggregater i disperse systemer). Det er effektivt å påføre et beskyttende lag av vannløselige polymerer eller overflateaktive stoffer på nanopartikler under hydrolyseprosessen, tilsatt sammen med vann under hydrolyseprosessen.

Deretter omdannes solen til en gel ved å fjerne en del av vannet fra den ved oppvarming og ekstraksjon med et passende løsningsmiddel. I noen tilfeller sprøytes en vandig sol inn i en oppvarmet organisk væske som ikke er blandbar med vann.

Ved å omdanne solen til en gel oppnås strukturerte kolloidale systemer. Faste partikler av den dispergerte fasen er sammenkoblet til et løst romlig nettverk, som inneholder et flytende dispersjonsmedium i cellene, og fratar systemet som helhet fluiditet. Kontakter mellom partikler blir lett og reversibelt ødelagt av mekaniske og termiske påvirkninger. Geler med et vandig dispersjonsmedium kalles hydrogeler, og de med hydrokarbondispersjonsmedium kalles organogeler.

Ved å tørke gelen kan man få aerogel eller xerogel - skjøre mikroporøse kropper (pulver). Pulvere brukes til støping av produkter, plasmasprøyting og så videre. Gelen kan brukes direkte til å produsere filmer eller monolittiske produkter. For tiden er sol-gel-metoden mye brukt for å oppnå nanopartikler fra uorganiske ikke-metalliske materialer.

4 Elektrokjemisk metode for å produsere nanopartikler.

Den elektrokjemiske metoden er assosiert med frigjøring av et stoff ved katoden under elektrolyse av enkle og komplekse kationer og anioner. Dersom et system bestående av to elektroder og en elektrolyttløsning (smelte) inngår i en likestrømkrets, vil det oppstå oksidasjons-reduksjonsreaksjoner ved elektrodene. Ved anoden (positiv elektrode) gir anionene fra seg elektroner og blir oksidert; Ved katoden (negativ elektrode) får kationer elektroner og reduseres. Avsetningen som dannes på katoden som et resultat, for eksempel av elektrokrystallisering, kan morfologisk være enten et løst eller et tett lag av mange mikrokrystallitter.

Teksturen til sedimentet påvirkes av mange faktorer, slik som stoffets og løsningsmidlets natur, typen og konsentrasjonen av ioner i målproduktet og fremmede urenheter, klebeegenskapene til de avsatte partiklene, mediets temperatur, elektrisk potensial, diffusjonsforhold og andre. En av de lovende vitenskapelige retningene er bruken av elektrokjemisk syntese for design av nanostrukturerte materialer. Dens essens ligger i dannelsen av todimensjonale (Langmuir) monolag av metallnanopartikler under monolags overflateaktive matriser under kinetisk kontrollert elektroreduksjon. Hovedfordelene med metoden er eksperimentell tilgjengelighet og evnen til å kontrollere og styre prosessen med å skaffe nanopartikler.

Fremstilling av nanopartikler ved bruk av plasma:

1 Plasma-kjemisk syntese.

En av de vanligste kjemiske metodene for å produsere ultrafine pulvere av metaller, nitrider, karbider, oksider, borider, så vel som deres blandinger, er plasmakjemisk syntese. Denne metoden er preget av en veldig rask (i 10,3 - 10,6 s) reaksjon som forekommer langt fra likevekt og en høy dannelseshastighet av en ny fase med en relativt lav veksthastighet.

I plasmakjemisk syntese brukes lavtemperatur (400 - 800 K) nitrogen-, ammoniakk-, hydrokarbon- og argonplasma, som lages ved hjelp av en elektrisk lysbue, et elektromagnetisk høyfrekvent felt, eller en kombinasjon av begge i reaktorer kalt plasmatroner. I dem flyr en strøm av utgangsstoffer (gassformige, flytende eller faste) raskt gjennom sonen der plasmaet opprettholdes, og mottar energi fra det for å utføre kjemiske transformasjonsreaksjoner. Den plasmadannende gassen kan også være selve originalstoffet.

Reaktoren inkluderer følgende hovedkomponenter: elektroder, rør for tilførsel av plasmadannende gass, spoler av elektromagneter for å opprettholde plasmabuen, rør for innføring av reagenser, kaldgassinnganger og en mottaksanordning for synteseprodukter. Lysbuesøylen som dannes mellom elektrodene danner en plasmastrøm, og i reaktoren oppnås en temperatur på 1200 - 4500 K. De resulterende produktene herdes på forskjellige måter: i rørformede varmevekslere, ved å oversvømme strømmen av den reagerende blandingen med stråler. av kalde gasser eller væske, i avkjølte Laval-dyser.

Egenskapene til de resulterende pulverene avhenger av råvarene som brukes, synteseteknologi og type plasmatron; partiklene deres er enkeltkrystaller og har størrelser på 10 - 100 nm eller mer. Prosessene som skjer under plasmakjemisk syntese og gassfasemetoden for å produsere nanopartikler er nær hverandre. Etter interaksjon i plasmaet dannes aktive partikler i gassfasen. I fremtiden er det nødvendig å bevare deres nanostørrelser og skille dem fra gassfasen.

Plasma-kjemisk syntesepulver er preget av en bred fordeling av nanopartikler i størrelse og, som en konsekvens, tilstedeværelsen av ganske store (opptil 1 - 5 μm) partikler, det vil si lav selektivitet av prosessen, samt en høy innhold av urenheter i pulveret.

For å oppnå nanopartikler kan du ikke bare bruke metoden for vekst, men også oppløsningen av større partikler i plasma. I praksis brukes reaktorer der laserstråling innføres i arbeidsvolumet gjennom et spesielt vindu og en strøm av reaksjonsblandingen. I skjæringsområdet deres vises en reaksjonssone der dannelsen av partikler skjer. Partikkelstørrelsen avhenger av reaktortrykket og laserstrålingsintensiteten. Parametrene for laserstråling er mye lettere å kontrollere (enn høyfrekvent eller lysbueplasma), noe som gjør det mulig å oppnå en smalere partikkelstørrelsesfordeling. På denne måten ble det oppnådd silisiumnitridpulver med partikkelstørrelser på 10 - 20 nm.

2 Elektrorosiv metode.

Essensen av metoden er dannelsen av en bue mellom elektroder nedsenket i et væskebad. Under disse forholdene er substansen til elektrodene delvis dispergert og interagerer med væsken for å danne et dispergert pulver. For eksempel fører elektrisk erosjon av aluminiumelektroder i vann til dannelse av aluminiumhydroksidpulver.

Det resulterende faste bunnfallet separeres fra væskefasen ved filtrering, sentrifugering og elektroforese. Pulveret blir deretter tørket og om nødvendig forhåndsknust. I prosessen med påfølgende varmebehandling syntetiseres målproduktet fra pulveret, hvorfra partikler av ønsket størrelse oppnås under disaggregeringsprosessen. Denne metoden kan produsere partikler i nanostørrelse hvis store partikler plasseres i væskefasen.

3 Sjokkbølge- eller detonasjonssyntese.

Ved hjelp av denne metoden produseres nanopartikler i plasma dannet under eksplosjonen av høyeksplosiver (HE) i et eksplosjonskammer (detonasjonsrør).

Avhengig av kraften og typen eksplosiv innretning, skjer sjokkbølge-interaksjon på materialet i løpet av svært kort tid (tideldeler av mikrosekunder) ved en temperatur på mer enn 3000 K og et trykk på flere titalls hektopascal. Under slike forhold er en faseovergang i stoffer mulig med dannelse av ordnede dissipative strukturer i nanostørrelse. Sjokkbølgemetoden er mest effektiv for materialer hvis syntese utføres ved høye trykk, for eksempel diamantpulver, kubisk bornitrat og andre.

Under den eksplosive transformasjonen av kondenserte eksplosiver med negativ oksygenbalanse (en blanding av TNT og heksogen), er karbon tilstede i reaksjonsproduktene, hvorfra det dannes en diamantdispergert fase med en partikkelstørrelse i størrelsesorden 4 - 5 nm.

Ved å utsette porøse strukturer av forskjellige metaller og deres salter, geler av metallhydroksider for sjokkbølger fra en eksplosiv ladning, er det mulig å oppnå nanopulver av Al, Mg, Ti, Zn, Si og andre oksider.

Fordelen med sjokkbølgesyntesemetoden er muligheten for å oppnå nanopulver av forskjellige forbindelser, ikke bare av vanlige faser, men også av høytrykksfaser. Samtidig krever den praktiske anvendelsen av metoden spesielle lokaler og teknologisk utstyr for å utføre sprengningsoperasjoner.

Mekanokjemisk syntese.

Denne metoden innebærer mekanisk bearbeiding av faste stoffer, som resulterer i sliping og plastisk deformasjon av stoffene. Sliping av materialer er ledsaget av brudd av kjemiske bindinger, som forhåndsbestemmer muligheten for påfølgende dannelse av nye kjemiske bindinger, det vil si forekomsten av mekanokjemiske reaksjoner.

Den mekaniske påvirkningen ved sliping av materialer er pulserende; i dette tilfellet skjer ikke fremveksten av et spenningsfelt og dets påfølgende relaksasjon i løpet av hele tiden partiklene er i reaktoren, men bare i øyeblikket av partikkelkollisjon og i kort tid etter det. Mekanisk handling er ikke bare impulsiv, men også lokal, siden den ikke forekommer gjennom hele massen av faststoffet, men bare der et spenningsfelt oppstår og deretter slapper av.

Virkningen av energi som frigjøres ved en høy grad av ikke-likevekt under støt eller slitasje, på grunn av den lave termiske ledningsevnen til faste stoffer, fører til det faktum at en del av stoffet er i form av ioner og elektroner - i plasmatilstanden. Mekanokjemiske prosesser i et fast stoff kan forklares ved hjelp av fononteorien om ødeleggelse av sprø kropper (en fonon er en energikvantum av elastiske vibrasjoner i et krystallgitter).

Mekanisk sliping av faste materialer utføres i ultrafine slipemøller (ball, planet, vibrasjon, jet). Når arbeidslegemene samhandler med materialet som males, kan det lokalt varmes opp i kort tid til høye (plasma)temperaturer, som oppnås under normale forhold ved høye temperaturer.

Nanopulver med partikkelstørrelser fra 200 til 5 - 10 nm kan oppnås mekanisk. Så, når sliping en blanding av metall og karbon for

Etter 48 timer ble det oppnådd partikler av TiC, ZrC, VC og NbC med en størrelse på 7-10 nm. I en kulemølle ble WC-Co nanokomposittpartikler med en partikkelstørrelse på 11-12 nm oppnådd fra en blanding av wolframkarbon og koboltpulver med en initial partikkelstørrelse på ca. 75 mikron i løpet av 100 timer.

Biokjemiske metoder for å skaffe nanomaterialer.

Nanomaterialer kan også produseres i biologiske systemer. I mange tilfeller produserer levende organismer, som noen bakterier og protozoer, mineraler med partikler og mikroskopiske strukturer i nanometerstørrelsesområdet.

Biomineraliseringsprosesser fungerer gjennom mekanismer for fin biokjemisk kontroll, noe som resulterer i produksjon av materialer med veldefinerte egenskaper.

Levende organismer kan brukes som en direkte kilde til ultrafine materialer, hvis egenskaper kan endres ved å variere de biologiske forholdene for syntese eller prosessering. Ultrafine materialer oppnådd ved biokjemiske syntesemetoder kan være utgangsmaterialer for noen allerede testede og kjente metoder for syntese og prosessering av nanomaterialer, samt i en rekke teknologiske prosesser. Så langt er det lite arbeid på dette forskningsområdet, men det er allerede mulig å peke på en rekke eksempler på produksjon og bruk av biologiske nanomaterialer.

For tiden kan ultradisperse materialer oppnås fra en rekke biologiske objekter, for eksempel ferritiner og relaterte proteiner som inneholder jern, magnetiske bakterier og andre. Ferritiner (en type protein) gir således levende organismer evnen til å syntetisere nanometerstore partikler av jernhydroksider og okyfosfater. Evnen til magnetotaktiske bakterier til å bruke jordens magnetfeltlinjer for sin egen orientering gjør at de kan ha kjeder av nanostørrelse (40 - 100 nm) enkeltdomene magnetittpartikler.

Det er også mulig å skaffe nanomaterialer ved hjelp av mikroorganismer. For tiden er det oppdaget bakterier som oksiderer svovel, jern, hydrogen og andre stoffer. Ved hjelp av mikroorganismer har det blitt mulig å utføre kjemiske reaksjoner for å utvinne ulike metaller fra malm, utenom tradisjonelle teknologiske prosesser. Eksempler inkluderer teknologien for bakteriell utvasking av kobber fra sulfidmaterialer, uran fra malm, og separering av arsen-urenheter fra tinn- og gullkonsentrater.

I noen land oppnås i dag opptil 5 % av kobber og store mengder uran og sink ved mikrobiologiske metoder. Det er gode forutsetninger, bekreftet av laboratoriestudier, for bruk av mikrobiologiske prosesser for utvinning av mangan, vismut, bly og germanium fra lavgradige karbonatmalmer. Ved hjelp av mikroorganismer er det mulig å avsløre det fint spredte gullet av arsenopyrittkonsentrater. Derfor har en ny retning dukket opp innen teknisk mikrobiologi, som kalles mikrobiologisk hydrometallurgi.

Kryokjemisk syntese.

Den høye aktiviteten til metallatomer og klynger i fravær av stabilisatorer forårsaker reaksjonen til større partikler. Prosessen med aggregering av metallatomer skjer praktisk talt uten aktiveringsenergi. Stabilisering av aktive atomer av nesten alle elementene i det periodiske systemet ble oppnådd ved lave (77 K) og ultralave (4 - 10 K) temperaturer ved bruk av matriseisolasjonsmetoden. Essensen av denne metoden er bruken av inerte gasser ved ultralave temperaturer. Argon og xenon brukes oftest som en matrise. Par av metallatomer kondenserer med et stort, vanligvis tusen ganger overskudd av inert gass på en overflate avkjølt til 10 - 12 K. Betydelig fortynning av inerte gasser og lave temperaturer eliminerer praktisk talt muligheten for diffusjon av metallatomer, og de stabiliseres i kondensat. De fysisk-kjemiske egenskapene til slike atomer studeres ved forskjellige spektrale og radiospektrale metoder.

Grunnleggende prosesser for kryokjemisk nanoteknologi:

1 Klargjøring og dispergering av løsninger.

Som et resultat av oppløsning av det opprinnelige stoffet eller stoffene i et bestemt løsningsmiddel, er det mulig å oppnå størst mulig grad av blanding av komponentene i en homogen løsning, der en høy grad av nøyaktighet av samsvar med den gitte sammensetningen er garantert. Vann brukes oftest som løsemiddel; det er imidlertid mulig å bruke andre løsemidler som lett kan fryses og sublimeres.

Den resulterende løsningen blir deretter dispergert i individuelle dråper av ønsket størrelse, og de avkjøles til fuktigheten er fullstendig frossen. Prosessen med hydrodynamisk dispersjon utføres på grunn av strømmen av løsning gjennom forskjellige dyser og filtre, samt bruk av dyser.

...

Lignende dokumenter

Generell informasjon om metoder for å skaffe nanopartikler. Grunnleggende prosesser innen kryokjemisk nanoteknologi. Klargjøring og dispergering av løsninger. Biokjemiske metoder for å skaffe nanomaterialer. Frysende væskedråper. Supersonisk utstrømning av gasser fra dysen.

kursarbeid, lagt til 21.11.2010


Grunnleggende begreper om nanoteknologi og utvikling av nanokjemi. Karbons rolle i nanoverdenen. Oppdagelse av fullerener som en form for eksistens av karbon. Typer smarte nanomaterialer: biomimetiske, biologisk nedbrytbare, ferromagnetiske væsker, maskinvare- og programvarekomplekser.

presentasjon, lagt til 08.12.2015


Hovedaspekter som er knyttet til feltet nanokjemi. Klassifisering av størrelseseffekter i henhold til Mayer, årsakene til deres forekomst. Operasjonsskjema og generell oversikt over et atomkraftmikroskop. Klassifisering av nanomaterialer etter størrelse. Egenskaper til karbon nanorør.

presentasjon, lagt til 13.07.2015


Egenskaper og klassifisering av nanopartikler: nanoclusters og nanopartikler i seg selv. Cellekulturer brukt for in vitro toksisitetsstudier: lungekarsinom, human amnion og lymfocytter, rottekardiomyocytter. Studie av cytotoksisitet til nanomaterialer.

kursarbeid, lagt til 14.05.2014


Anvendelse av nanoteknologi i medisin. Påvirkning av nanopartikler på menneskekroppen. Medisinske anvendelser av skanningsprobemikroskoper. Innhenting av enkeltkrystaller i et to-lags bad. Utstyr for å få tak i narkotika med værhår.

avhandling, lagt til 06.04.2015


Egenskaper ved å oppnå sølvnanopartikler ved kjemisk reduksjon i løsninger. Prinsippet for strålingskjemisk reduksjon av metallioner i vandige løsninger. Dannelse av metallsoler. Studie av effekten av pH på størrelsen på plasmontoppen.

kursarbeid, lagt til 12.11.2008


Påvirkningen av overflødig overflateenergi på adhesjonsinteraksjonen til nanopartikler. Adsorpsjon monolag av overflateaktive stoffer. Lokal konsentrasjon og dannelse av øystruktur i nanoskala. Effekt av overflateaktive stoffer på overflatekrefter og stabilitet til lyofobe nanosystemer.

test, lagt til 17.02.2011


Kjennetegn på sølv nanopartikler. Deres innflytelse på levedyktigheten til humane lymfocytter i henhold til resultatene av MTT-testen. Cellekulturer brukt for in vitro toksisitetsstudier. Studie av cytotoksisiteten til nanomaterialer i pattedyrcellekulturer.

kursarbeid, lagt til 05.04.2014


Regelmessigheter av nanofasedannelse i løsning. Fremgangsmåter for fremstilling av katalysatorer. Metode for fremstilling av palladiumnanopartikler stabilisert i ultratynne lag av kitosan avsatt på aluminiumoksid. Fysisk-kjemiske egenskaper til nanokompositter.

avhandling, lagt til 12.04.2014


Magnetiske metall nanopartikler. Fysisk-kjemiske egenskaper til micellære løsninger. Konduktometrisk studie, syntese av koboltnanopartikler i direkte miceller. Utarbeidelse av Langmuir-Blodgett film, skanningselektron og atomkraftmikroskopi.

Når dukket "nanovitenskap" opp som et teoretisk kunnskapsfelt? Finnes organiske nanostrukturer - ikke syntetisert, men skapt av naturen? Hvordan kan matematiske modeller som beskriver nanostrukturer brukes til å påvirke en levende celle? Hva er de "magiske tallene" til nanostrukturer? Kjemikere Igor Melikhov og Viktor Bozhevolnov snakker om hvor grensen mellom den fysiske verden og nanoverdenen går.

Deltakere:

Igor Vladimirovich Melikhov- Tilsvarende medlem av det russiske vitenskapsakademiet, professor ved kjemifakultetet ved Moskva statsuniversitet. Lomonosov

Viktor Evgenievich Bozhevolnov- Kandidat for kjemiske vitenskaper, forsker ved Det kjemiske fakultet, Moskva statsuniversitet. Lomonosov

Emneoversikt

Nanosystemer forstås vanligvis som et sett med kropper omgitt av en gass eller flytende medium, hvis størrelse forblir i området 0,1–100 nm. Selve ordet er avledet fra gresk. nanoer- "dverg". Slike legemer kan være polyatomiske klynger og molekyler, nanodråper og nanokrystaller. Dette er mellomformer mellom atomer og makroskopiske legemer, noe som gjør studiet av nanosystemer viktig.

Det særegne ved nanokropper, dvs. ultrasmå kropper, er at størrelsen deres er i samsvar med virkningsradiusen til kreftene til interatomisk interaksjon, det vil si avstanden som atomene i kroppen må fjernes til slik at deres interaksjon påvirker ikke egenskapene i merkbar grad. På grunn av denne funksjonen samhandler nanokropper med hverandre og med miljøet annerledes enn makrokropper. Spesifisiteten til interaksjonen er så stor at det er dannet en spesiell retning for vitenskapelig forskning for studiet av nanosystemer, som kan kalles den fysiske kjemien til nanosystemer eller kort sagt nanokjemi.

Det er viktig at massen av nanopartikler er liten nok til at hver partikkel kan delta i termisk bevegelse som en helhet. Sistnevnte omstendighet forener alle deres varianter og er av grunnleggende betydning, siden det gir muligheten for selvmontering av nanopartikler til de tilsvarende nanostrukturene ved å søke gjennom prøving og feiling og til slutt finne termodynamiske optima.

Grensene for nanointervallet i kjemi er vilkårlige. Egenskapene til en kropp er følsomme i varierende grad for dens størrelse. Noen av egenskapene mister sin spesifisitet ved størrelser større enn 10 nm, andre - større enn 100 nm. Derfor, for å utelukke færre egenskaper fra vurdering, bør den øvre grensen for nanointervallet tas lik 100 nm. Dermed utvides selve nanostoffenes grenser og et større felt åpner for forskning og ytterligere generaliseringer.

Nanostrukturer finnes naturlig i naturen, og det som først og fremst er interessant her er eksempler på dannelse av nanostoffer i proteinlegemer. De viktigste biologiske reaksjonene som skjer i en levende celle skjer i proteinnanostrukturer. Et eksempel er pigment-proteinkomplekset til fotosyntesereaksjonssenteret, der seks molekyler av klorofyllnatur er innebygd i en proteinmatrise med repeterbar presisjon ned til tideler av en ångstrøm. Disse pigmentene utfører prosessen med å konvertere solenergi til separert ladningsenergi med en kvanteeffektivitet på 100 % på grunn av ekstremt rask elektronoverføring mellom pigmenter. Slik effektivitet er ikke kjent selv i fysikk. Elektronoverføringstiden mellom pigmenter bestemmes eksperimentelt, noe som gir en verdi på mindre enn 20 femtosekunder. Bevegelsen til det kjernefysiske undersystemet med passende frekvenser, som skaper den nødvendige kjernefysiske konfigurasjonen for elektronoverføring og for stabilisering av separerte ladninger, bestemmes også eksperimentelt. Ved å kombinere disse dataene med røntgendiffraksjonsanalyse gjør det mulig å etablere de molekylære mekanismene og veiene for elektronoverføring mellom pigmenter i en slik nanostruktur.

Et annet eksempel på nanostrukturer som forekommer naturlig i naturen kommer fra feltet mineralogi. Dermed viste studiet av prøver av månejord, som i rundt 4,5 milliarder år ble utsatt for protonbombardement av solvinden, en rekke, vanligvis irreversible, prosesser som fant sted i den. Der ble oksidene som alle bergarter vanligvis er sammensatt av redusert til dybder omvendt proporsjonal med metall-oksygenbindingsenergien. Jo lettere denne bindingen ble brutt, desto større dybde ble regolitten gjennomgått reduksjonsprosesser på, noen ganger ned til null valenstilstand. På maksimal dybde ble jern redusert, på grunnere dybde - krom, og enda nærmere overflaten - silisium, mangan, magnesium, etc. - alle 12 hovedsteindannende elementer. Men en annen betydelig hendelse skjedde også: prosessen med amorfisering av krystaller fant sted på overflaten, det vil si at de ganske enkelt ble ødelagt, og som studier utført ved Institute of Ore Deposits viste, ble de ødelagt til nanostaten.

Biologiske nanostrukturer kan isoleres, renses, krystalliseres og studeres ved hjelp av hele arsenalet av fysiske og kjemiske metoder, inkludert NMR, ESR, optisk, ultrafiolett, infrarød spektroskopi med høyeste tidsoppløsning - ca. 15 femtosekunder. Eksperimentelle studier av disse nanostrukturene er ledsaget av kvantefysiske beregninger av molekylær dynamikk og elektroninteraksjoner. Og samtidig kan alt som blir kjent om biologiske nanostrukturer og deres struktur brukes i syntesen av kjemiske modeller som er nødvendige for nanoteknologi.

Samtidig, for å unngå overdrevne generaliseringer, må vi huske at det er en grunnleggende forskjell mellom kondensering av nanopartikler av biologisk opprinnelse til biologiske overbygninger og dannelsen av atomære eller vanlige molekylære nanoaggregater. Formen, den kjemiske strukturen og overflatetopografien til biologiske nanoblokker (proteiner, nukleinsyrer) bestemmer som regel veldig strengt størrelsen og formen til biologiske overbygninger som er et resultat av selvmontering, spesielt hvis det forekommer, så å si, in vivo. I den uorganiske verden er disse bestemmende faktorene mye mindre uttalte. Her kan det oppstå betydelige svingninger og svært store størrelsesfordelinger.

Den fysiske kjemien til nanosystemer utviklet seg på en gang som en del av fysikk og kjemi. Nå er dette et relativt ungt vitenskapsfelt som utvikler seg veldig raskt. Et kvantitativt kjennetegn ved fremgangen kan være økningen i antall publikasjoner i den vitenskapelige litteraturen. Siden det ofte er umulig å bestemme i hvilken grad en publikasjon forholder seg spesifikt til nanoskalaen og forholder seg til generell kjemi eller spesifikt til nanokjemi, er det vanskelig å fastslå nøyaktig antall, men estimater kan gjøres. Som det kan sies fra foreløpige data, utviklet nanosystemenes fysiokjemi seg uten noen betydelige sprang, og det totale antallet publikasjoner ved slutten av forrige århundre nådde 2,5–3 millioner, med de viktigste verdenspublikasjonene, naturligvis, datert tilbake til 90-tallet . I første halvdel av århundret ble det viktigste bidraget til nanokjemi gitt av spesialister som studerte kolloider og aerosoler, og i andre halvdel - polymerer, proteiner, naturlige forbindelser, fullerener og tubulener.

Når det gjelder nanofysikk, er det to forskjellige områder i den. Den ene involverer dannelsen av pulver fra nanopartikler eller polykrystaller med nanometerstore krystallitter. Et annet område er assosiert med ordet "mesoskopisk" - noe mellom "mikro" og "makro". I dette tilfellet snakker vi om egenskapene til individuelle nanometerstore partikler. De kalles noen ganger kunstige atomer fordi de, i likhet med atomer, har et diskret emisjonsspekter.

Vi kan si at det var en virkelig boom i fysikken da de lærte å lage slike partikler fra metaller, ledere, halvledere, superledere, og viktigst av alt, de lærte å inkludere en slik partikkel i en elektrisk krets, det vil si å bare sende strøm. gjennom det. Dette fenomenet, i likhet med fenomenet Coulomb-blokade, ble teoretisk forutsagt ved Kharkov Institute of Low Temperature Physics and Technology, og deretter ble dette fenomenet eksperimentelt oppdaget ved Moscow State University. M.V. Lomonosov. Det ble vist at hvis til og med ett elektron kommer inn i en metallnanopartikkel, vil den tilsvarende Coulomb-energien betydelig overstige temperaturen på grunn av den lave kapasitansen. Som et resultat oppstår en "blokade" av elektrisk strøm.

Nå, basert på den såkalte Coulomb "blokaden", er det allerede opprettet en enkeltelektrontransistor. Dette er den ultimate miniatyriseringen ettersom den kjører på ett (!) elektron. Denne transistoren har vært i drift i flere år og har vært vellykket brukt som et måleapparat i fysikk. Tilknyttet det er en gigantisk fremgang i sensitivitet. Bruk av nanopartikler fra superledere gjør det mulig å lage såkalte qubits (kvantebiter av informasjon), som vil bli hovedelementet i kvantedatamaskiner.

Dermed er det åpenbart at nanoteknologi nå sprer seg uvanlig mye over ulike områder av naturvitenskapen. Her kan vi fremheve flere hovedretninger, men dette utvalget vil være ganske vilkårlig, siden disse områdene ofte krysser hverandre og, viktigst av alt, er avhengige av lignende teknikker. Blant hovedområdene for forskning er:

Syntese av fullerener og fullerenlignende strukturer. Studie av høy-temperatur superledning av metaller.

Klyngeatommobilitet (først og fremst studeres smelte- og frysepunktene til klynger, som er lavere enn for faste stoffer, spesifikke fast-flytende tilstander av klynger studeres, etc.).

Nanocluster-reaksjoner (hovedsakelig cluster-sputtering og trekk ved cluster-fotokjemiske reaksjoner studeres).

Studie av kvanteprikker (halvlederklynger, deres optiske egenskaper, lysdioder med justerbar bølgelengde av stråling studeres).

Studerer magnetiske egenskaper, måling av endringer i det magnetiske momentet per atom under overgangen fra den kollektive magnetismen til et fast legeme til skallstrukturen til en klynge.

For tiden har den fysiske kjemien til nanosystemer nærmet seg et nytt utviklingsstadium, som kan kalles scenen for visualisering av atomer og nanopartikler med observasjon av deres interaksjon på stedet. Metoder for feltion, elektron, atomkraft og tunnelmikroskopi ble utviklet, som gjorde det mulig å observere oppførselen til et individuelt atom og tilstanden til en individuell nanokropp. Følsomheten til spektralmetoder er nå brakt til et nivå der det er mulig å måle fluorescensen og luminescensen til et enkelt molekyl, og å bedømme strukturen til molekyler som består av 50 atomer eller mer fra infrarøde spektre. Observasjoner av individuelle atomer og nanokropper har blitt tilgjengelig for et bredt spekter av forskere. Selv om det nå antas at det å få et pålitelig bilde av et enkelt atom eller molekyl er en stor vitenskapelig prestasjon, har det sluttet å være unikt. For eksempel, i 2000, uttalte en rapport i tidsskriftet Nature (arbeid av T. Fishlock et al.) at det var mulig å observere individuelle bromatomer på overflaten av en kobberenkelkrystall og ved hjelp av spesielle nanomanipulatorer flytte en av atomer, nesten uten å bevege de andre, ble oppfattet som en vitenskapelig sensasjon. Publikasjoner i 2002 om visualisering og bevegelse av DNA-molekyler av nanomanipulatorer anses som en viktig, men vanlig hendelse. Tilsynelatende står nanokjemi overfor muligheten for å "sette sammen" nanokropper fra atomer ved hjelp av nanomanipulatorer og identifisere hvordan egenskapene til nanokropper endres umiddelbart i øyeblikket av løsgjøring av et atom eller dets vedlegg med visualisering av mellomstadier av prosessen.

Nå har den fysiske kjemien til nanosystemer alle tegn på en uavhengig gren av vitenskapen: sin egen rekke forskningsobjekter, teori, eksperiment (søkemetodikk) og anvendelsesområdet for resultatene.

En spesiell gren av den fysiske kjemien til nanosystemer kan kalles et ganske praktisk område - opprettelsen av organiserte nanometerfilmer, hovedsakelig de såkalte monolag (!) Langmuir-Blodgett-filmene. Slike filmer oppnås for å lage systemer med kontrollert tunnelering, og til dette formål brukes molekylære komplekser som grunnlag for enkeltelektronfilmer. Det arbeides med å lage Langmuir-Blodgett nanolag som inneholder nukleinsyrer, som er av spesiell interesse for å lage et testsystem for DNA-immobilisering. Det vil si, kort og nøye, nanokjemi i sitt organiske felt er det første trinnet, grunnlaget for modellering og programmering av proteinlegemer.

Objekter for nanokjemiforskning- ultrafine stoffer oppnådd ved dampkondensering og utfelling fra løsninger; aerosoler og kolloidale løsninger, naturlige stoffer bestående av polyatomiske molekyler; produkter av polymerisasjon, finmaling av faste stoffer eller intensiv væskeforstøvning; blokkfaststoffer, hvor grensene til blokkene er så uttalte at blokkene i seg selv kan betraktes som kvasipartikler; leire og marine suspensjoner; bunnsedimenter osv.

Nanosystemteori utvikler metoder for å beregne oppførselen til nanokropper basert på "første prinsipper." Grunnlaget for vurderingen er den evolusjonære ligningen for funksjonen φ (X i, t) av fordelingen av nanolegemer (nanopartikler) i henhold til parametrene X i, deres tilstand, som inkluderer slike indikatorer som utviklingshastigheten til nanosystemet, settet med hastigheter for retningsendring og fluktuasjonskoeffisienter for tilstandsparametere X i i øyeblikket t. I dette tilfellet inkluderer settet med tilstandsparametere Xi romlige koordinater og hastigheter, masse, egenskaper ved sammensetningen, formen og strukturen til hver nanopartikkel, ved bruk av bevaringsprinsipper.

Ratene for retningsendringer i tilstandsparametere og fluktuasjonskoeffisienter presenteres som en funksjon av tilstandsparametere ξ i av miljøet rundt nanopartikler. I forhold til de romlige koordinatene og bevegelseshastighetene til nanopartikler, er disse funksjonene representert som bevegelseslovene i klassisk mekanikk. I forhold til masse- og formegenskaper uttrykkes disse funksjonene gjennom frekvensene for tilknytning og løsrivelse av atomer fra nanopartikler. Frekvenser beregnes vanligvis under antagelsen om at atomer beveger seg i samsvar med reglene for klassisk mekanikk ved et visst potensial for interatomiske interaksjoner. Når man beregner sammensetningen og strukturen til nanopartikler, antas det at kjernene til nanopartikkelatomer beveger seg i henhold til lovene i klassisk mekanikk (med kvantemekaniske korreksjoner) i elektron-kjernemediet beskrevet av Schrödinger-ligningen. Denne antagelsen åpner for muligheten for å identifisere sammenhengen mellom potensialet til interatomiske interaksjoner og elektron-kjernekarakteristikkene til atomer og den påfølgende overgangen til å beregne evolusjonshastigheten fra "første prinsipper." En slik beregning er fortsatt langt unna, men teorien om nanosystemer utvikler seg raskt.

Eksperiment identifiserte hundrevis av mønstre i oppførselen til nanosystemer. La oss fremheve to av dem, de vanligste etter vår mening.

1. De fleste naturlige og menneskeskapte nanosystemer er langt fra likevekt, og tilstanden deres endres kontinuerlig når de beveger seg mot likevekt.

Nanosystemer dannes langs to ruter: kondensasjon og spredning. I det første tilfellet fordampes eller oppløses startlegemene, hvoretter de resulterende dampene kondenseres, og en ultrafin substans utfelles fra løsningen. I det andre tilfellet tilføres mekanisk energi til de opprinnelige legene i en mengde som er tilstrekkelig for deres oppløsning til nanopartikler. Implementeringen av begge rutene krever en intensiv tilstrømning av energi inn i det opprinnelige systemet, slik at systemet umiddelbart etter utseendet av nanopartikler finner seg selv fjernet fra likevekt. Så snart strømmen av energi stopper, utvikler systemet seg mot likevekt.

Det enkleste eksemplet på utviklingen av et system er kondensasjonsruten for transformasjon av en enkelt krystall bestående av identiske atomer og plassert i et lukket volum av dens mettede damp. Hvis en slik enkeltkrystall varmes opp til smeltepunktet og påfølgende fordampning av smelten, og den resulterende dampen blir kraftig avkjølt til systemets begynnelsestemperatur, vil nanopartikler kjernene seg og bli større i systemet når den avkjøles. De kombineres til aggregater som bestilles. Grensene mellom nanopartikler i aggregater forsvinner, og de blir til mikrokrystaller. Når mikrokrystaller holdes i damp i lang tid, fordamper de minste og mest defekte, mens de større og mer perfekte fortsetter å vokse. Og så videre til den originale enkeltkrystallen er gjenskapt i systemet. I løpet av hele tidsintervallet fra det øyeblikket en merkbar mengde nanopartikler allerede har samlet seg i dampen til det øyeblikket når flertallet av nanopartikler når en størrelse på 100 nm, er systemet i nanotilstand. Da går det uunngåelig i likevekt, utseendet til nanopartikler stopper og dessuten kan de resulterende partiklene også gå inn i forfallsstadiet hvis det ikke skapes kunstige forhold for deres bevaring.

Under den dispersive ruten for transformasjoner av en enkelt krystall under forhold med en tilstrekkelig jevn tilstrømning av mekanisk energi, reduseres størrelsen på fragmentene som enkeltkrystallen går i oppløsning til inntil prosessene som fører til ødeleggelsen av fragmentene kompenseres av deres aggregering og fusjon. .

Hvis tilstrømningen av mekanisk energi er så stor at med slik kompensasjon er de fleste fragmentene nanometer store, så forblir systemet i en stasjonær nanotilstand til energitilstrømningen avtar. Når tilstrømningen stopper, vil fragmentene begynne å vokse sammen og bli større. Dette fortsetter til den originale enkeltkrystallen er gjenskapt i systemet. Kondensasjons- og spergeringsveiene for utvikling av systemer viser seg å være mer komplekse hvis det oppstår kjemiske reaksjoner i systemet.

2. Det andre mønsteret for eksistensen og fremveksten av nanosystemer, avslørt i en rekke eksperimenter, kan formuleres kort, selv om dette er en svært viktig oppdagelse: nanosystemer er variable. Dette betyr at nanokropper som er tilstede samtidig i systemet har forskjellige egenskaper, og "spredningen" av egenskaper er stor og bestemmer i stor grad systemets oppførsel.

Nanopartikler har ulik størrelse, form og hastighet på romlig bevegelse, noe som manifesterer seg for eksempel i Brownsk bevegelse. Den kjemiske sammensetningen av nanopartikler er også variabel på grunn av sorpsjonen av forskjellige mengder medium molekyler. Hovedårsaken til variasjon er termisk bevegelse, men termiske svingninger er synkronisert på grunn av samvirkende interaksjon mellom atomer. Graden av synkronisering øker med den rettede tilførselen av stoffer og energi inn i systemet. Hvis systemet ikke er i likevekt, endres hver egenskap til nanopartikler som bevegelsen til en kropp i en væskestrøm: den blir båret bort av strømmen under tilfeldige vandringer rundt banen til rettet bevegelse. I dette tilfellet er hastigheten på retningsendring av hver egenskap preget av verdien Gi, og intensiteten av vandringen - av verdien Di. I forhold til nanopartiklers romlige bevegelse tilsvarer verdien Gi hastigheten på mediets drift, og verdien Di tilsvarer den Brownske diffusjonskoeffisienten. I forhold til massen av nanopartikler, er verdien av Gi nær den gjennomsnittlige forstørrelseshastigheten, og verdien av Di karakteriserer svingninger i frekvensene for tilknytning av molekyler i mediet til nanopartikler. Det er ikke mye data om verdiene til Gi og Di, men tilgjengelig informasjon indikerer at verdiene til Di er ganske store.

Hyppigheten av binding av atomer (molekyler) av mediet til en nanopartikkel med en ordnet struktur avhenger ikke-monotont av antallet av dets konstituerende atomer. Det avtar kraftig når antall atomer i en partikkel blir lik et av de "magiske tallene", hvis sett bestemmes av strukturen til partikkelen. For klynger med et ikosaedrisk arrangement av atomer, tilsvarer de "magiske tallene" antall atomer i påfølgende koordinasjonssfærer rundt det sentrale atomet. I fasetterte nanokrystaller reduseres sannsynligheten for at et atom sammenføyes betydelig hvis antallet atomer som ble sammenføyd tidligere viser seg å være tilstrekkelig til å danne et monolag på overflatene; dessuten, i perioder med klyngevekst, er sannsynligheten for at nye atomer slutter seg til nanokrystallen. er høy, og i periodene mellom dannelsen av lag er den liten, derfor tilsvarer "magiske tall n i antall atomer i nanokrystallen i øyeblikkene t i av kjernedannelsen av todimensjonale klynger. Peptidmolekyler dannet på en DNA-matrise. frekvensen av tilsetning av nye aminosyrer blir null etter at antall atomer og molekyler i peptidet slutter å oppfylle kravene til DNA.

Disse mønstrene gjør studiet av nanosystemer til en ekstremt kunnskapsintensiv oppgave. Variabiliteten til nanosystemer tvinger en til å måle tilstandsparametrene til et sett med nanopartikler, og deres evolusjonære natur gjør det nødvendig å overvåke endringer i egenskapene til dette settet over tid. I dette tilfellet er det nødvendig å bestemme den flerdimensjonale funksjonen φ (X i, t) i et bredt spekter av egenskaper til mediet. Det er ikke overraskende at nesten alle nanosystemer har blitt studert i fragmenter, og fragmentene er ikke kombinert til et fullstendig bilde av deres oppførsel. Likevel har tusenvis av anvendte problemer blitt løst innenfor rammen av nanokjemi.

Anvendt fysisk kjemi av nanosystemer inkluderer:

Utvikling av teoretiske grunnlag for bruk av nanosystemer innen ingeniørvitenskap og nanoteknologi, metoder for å forutsi utviklingen av spesifikke nanosystemer under forholdene for deres bruk, samt søket etter optimale operasjonsmetoder;

Opprettelse av teoretiske modeller for oppførselen til nanosystemer under syntesen av nanomaterialer og søk etter optimale forhold for deres produksjon;

Studie av biologiske nanosystemer og opprettelse av metoder for bruk av nanosystemer til medisinske formål;

Utvikling av teoretiske modeller for dannelse og migrering av nanopartikler i miljøet og metoder for å rense naturlig vann eller luft fra nanopartikler.

Av de listede områdene for anvendt nanokjemi er det andre det mest utviklede nå, noe som virker naturlig, siden rent vitenskapelige interesser og rent teoretiske problemer i dette området faller inn i området rent praktiske og til og med økonomiske interesser. Selv om det fortsatt er for tidlig å si at alt som kan gjøres på dette stadiet av vitenskapelig utvikling har blitt gjort på dette området. Et eksempel er fagfeltet metallurgi, hvor det for tiden pågår arbeid med syntese av nye nanomaterialer og utvikling av ny nanoteknologi. Effektiviteten ved å lage og bruke nanomaterialer er åpenbar. Dermed er styrken til et metall med nanostruktur 1,5–2 ganger, og i noen tilfeller 3 ganger, større enn styrken til konvensjonelt metall. Hardheten er 50–70 ganger større, og korrosjonsmotstanden er 10–12 ganger større. Det er kjent at strukturen til et metall i stor grad påvirker dets egenskaper: jo finere kornstørrelse, jo større er interaksjonsoverflaten mellom fasekomponentene i strukturen, som er grunnlaget for å forbedre egenskapene. Den gjennomsnittlige kornstørrelsen til et metall i dag er 5–7 mikron; i praksis er den vanligvis ikke nådd til nanostørrelser ennå. For å få til metaller med nanostrukturer trengs det spesielle teknologiske metoder som nå utvikles aktivt, men som fortsatt er for komplekse til å kunne brukes i bred produksjon. Disse teknologiene beveger seg i to hovedretninger. Den første er å lage såkalte nanopowders, hvorfra det ønskede nanomaterialet deretter produseres. En annen metode for sliping av den opprinnelige strukturen kan kalles deformasjon: på grunn av gjentatt dyp deformasjon av metallet oppnås det riktige strukturnivået og følgelig egenskaper.

Disse teknologiene utvikles nå mye i USA og Japan, og delvis i Kina og Korea, så det er i disse landene at vitenskapen sannsynligvis har oppnådd den mest optimale løsningen på enkelte problemstillinger og problemer. I vårt land er bare det første skrittet i denne retningen tatt så langt: Det vitenskapelige rådet til det russiske vitenskapsakademiet for nanomaterialer er opprettet. Men så langt er lite gjort, og vi beklager at Russland ennå ikke er blant de to dusin beste landene som aktivt utvikler nanoteknologi.

Når uttrykket "nanostrukturer" nevnes, mener vi først og fremst nye typer metall og krystaller, hvis opprettelse åpner veien for ny "nanoelektronikk" basert på en av de mest fantastiske egenskapene til nanokrystaller - deres defektfrie natur. Imidlertid angår nanokjemi nå et annet vitenskapsområde, nærmere biologi. I praksis brukes denne retningen i utviklingen av helt nye terapeutiske teknologier.

Som et eksempel på utviklingen i den tredje retningen kan vi presentere ideen om å lage anti-kreft nanosystemer direkte i tumorvev. Laboratorieforsøk har vist at hvis reagenser introduseres i en polymerkropp, dannes nanopartikler av goetitt eller hydroksyapatitt under interaksjonen. da kan introduksjonen av reagenser organiseres slik at nanopartikler som dannes i volumet av kroppen nesten ikke har noen effekt på strukturen til polymeren. Men hvis det etter dannelsen av nanopartikler påføres et akustisk felt på kroppen, vil det varmes opp til 43 ° C i en tid hvor kroppen uten nanopartikler knapt vil endre temperatur. Dette antydet at hvis vi finner stoffer hvis nanopartikler kan dannes i kreftceller med mye høyere sannsynlighet enn i sunt vev, kan kreftceller selektivt varmes opp og "drepes." Og slike stoffer ble funnet. Interessante resultater ble oppnådd angående effekten av en av dem (teroftal) på utviklingen av kreft hos mus. Det ble åpenbart at terophthal nanopartikler i seg selv ikke påvirker utviklingen av en svulst, og det akustiske feltet bremser bare veksten litt. Men hvis feltet brukes etter dannelsen av terophthal nanopartikler. og på bare 10 minutter reduseres tumorvolumet med 80 % i løpet av en uke. Disse fakta fremhever løftet om å studere utviklingen av nanosystemer i biologiske miljøer.

Nanoverdenen lever i henhold til de samme lovene, uansett hvilket område av dens eksistens vi tar. Derfor viser nanosystemer i kjemi seg å være nær biologiske nanostrukturer. De viktigste biologiske og molekylære kompleksene og enzymene har størrelser i størrelsesorden 5–50 nm, noe som også er typisk for kjemiske nanosystemer. Imidlertid, i motsetning til kjemi og geologi, kjenner biologien svært organiserte strukturer av nanokomplekser som bestemmer passasjen med høy effektivitet av mange hundre biologiske prosesser i en levende celle. Biologiske nanostrukturer inneholder proteinbærere (ribosomer inneholder også RNA-molekyler) med en karakteristisk sekundær, tertiær og kvartær struktur. Avhengig av funksjonene deres, er forskjellige kofaktorer inkludert i de aktive sentrene innkapslet i disse strukturene. Posisjonen til alle atomer i disse nanosystemene er så reproduserbar at for deres tredimensjonale krystaller demonstrerer røntgendiffraksjonsanalyse posisjonen til hvert atom (og det kan være 10 tusen eller flere av dem) med en nøyaktighet på tideler av en ångstrøm .

Nye forskningsmetoder, som gjorde det mulig å visualisere både selve nanopartikler og deres interaksjoner med hverandre, gjorde den fysiske kjemien til nanosystemer til en moderne vitenskap. Men dens attraktivitet er ikke assosiert med tilfeldige omstendigheter, men er forhåndsbestemt av logikken i utviklingen av vitenskapen. Denne logikken fører uunngåelig til at forskning på nanosystemer blir ekstremt kunnskapsintensiv og kostbar. Mange land har lansert spesielle nasjonale programmer som gir dem passende finansiering.

I dag er den fysiske kjemien til nanosystemer et harmonisk utviklingsfelt av vitenskap, der teori og eksperimenter kombineres med systematisk flyt av vitenskapelig informasjon til anvendte områder. Faktisk kan utviklingen av nanoteknologi og utviklingen av metoder for å lage og studere nanostoffer for tiden kalles et av de viktigste vitenskapsområdene i det 21. århundre. Som den berømte fysikeren Feynman sa for 30 år siden, er penetrering i nanoverdenen en endeløs vei for mennesket, hvor han praktisk talt ikke er begrenset av materialer, men bare følger sitt eget sinn. Faktisk, for tiden finner funn i nanomatter og dets egenskaper sted på en rekke felt - kjemi, fysikk, biologi. For eksempel ble det eksperimentelt fastslått at når vann renses ved elektriske utladninger, får det bakteriedrepende egenskaper. Naturen deres var ikke klar, siden den kjemiske sammensetningen av vannet ikke endret seg. Men så ble det funnet at som et resultat av erosjon av elektrodene forblir nanopartikler i vannet, noe som i stor grad påvirker dets egenskaper.

Men oppdagelsen av nanoverdenen er utvilsomt viktigst for et slikt felt som mikroelektronikk. For tiden arbeides det spesielt med å lage nanostrukturer ved hjelp av ionestråler. Med en tilstrekkelig mengde energi og gi metallet frie protoner, kan strukturer i størrelsesorden titalls nanometer oppnås. I en slik skala forvandles dielektrikumet til metall, og krystallisering skjer veldig raskt. Deretter skapes flerlags nanostrukturer, som vil danne grunnlaget for fremtidens elektroniske kretsløp. Og hvis magnetiske disker nå bærer hundrevis av gigabyte med informasjon, vil de ved bruk av nye teknologier måle informasjonen på dem i hundrevis av terabyte.

I Russland er mange fremragende forskere involvert i problemene med nanokjemi, inkludert en betydelig del av medlemmene av Institutt for kjemi og materialvitenskap ved det russiske vitenskapsakademiet. Imidlertid har de fleste av dem ikke systematisk tilgang til instrumenter, uten hvilke moderne diagnostikk av nanosystemer er umulig. Takket være innsatsen til akademikere O. M. Nefedov og V. A. Kabanov, ble et betydelig bidrag til den fysiske kjemien til nanosystemer gitt under implementeringen av Federal Target Scientific and Technical Program "Forskning og utvikling i prioriterte områder for utvikling av vitenskap og teknologi for sivile formål ” i 1999–2001. Det virker viktig å implementere akademiske programmer ledet av akademikerne M.V. Alfimov og N.P. Lyakishev, samt en rekke andre spesialiserte prosjekter.

Bibliografi

Ivanovsky A. L., Shveikin G. P. Kvantekjemi i materialvitenskap. Jekaterinburg, 1997

Melikhov I.V. Elementære krystalliseringshandlinger i medier med høy overmetning // Nyheter fra det russiske vitenskapsakademiet. Ser. chem. 1994. Nr. 10

Melikhov I.V. Noen retninger for utvikling av ideer om teknologisk vitenskap//teoretisk. grunnleggende om kjemi teknologier. 1998. T.32. nr. 4

Melikhov I.V. Krystalliseringsmønstre med dannelse av nanodispergerte faste faser // Uorganiske materialer. 2000. T.36. nr. 3

Melikhov I.V. Trender i utviklingen av nanokjemi//Ros. chem. Blad. T.46. nr. 5

Nanoteknologi i det neste tiåret / Ed. M.K. Roko. M., 2002

Nikolaev A. L., Raevsky P. M. Sonodynamisk terapi av ondartede svulster//Ros. chem. Blad. 1998. T.42. nr. 5

Petrov Yu. I. Klynger og små partikler. M., 1986

Uvarov N. F. Boldyrev V. V. Størrelseseffekter i kjemien til heterogene systemer // Fremskritt innen kjemi. 2001. T. 70. Nr. 4

Klynger av atomer og molekyler//Springer Series on Chem. Fysikk. 1994. V. 52

Handbook of Nanostractured Meterials and nanotechnology/Ed. av H.S. Nalwa. N.Y., 1994. V. 1–5

Magnetit Biomaterization and Magnetoreception in Organisms: A new Biomagnetism/Ed. av J.L. Kirschvink, D.S. Jones, J.B. Macfadden. N.Y., 1985

Nanokjemi

Kjemi og farmakologi

Nanovitenskap har dukket opp som en selvstendig disiplin bare de siste 7-10 årene. Studiet av nanostrukturer er en felles retning for mange klassiske vitenskapelige disipliner. Nanokjemi inntar en av de ledende stedene blant dem, da den åpner for nesten ubegrensede muligheter for utvikling, produksjon og forskning...

FORBUNDSORGANEN FOR UTDANNING OMSK STATE PEDAGOGISK UNIVERSITET FAKULTET FOR KJEMISK OG BIOLOGISK
KJEMISK INSTITUT OG METODER FOR UNDERVISNING AV KJEMI

Nanokjemi

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

Sjekket av: Ph.D., førsteamanuensis B.Ya. Bryansky.

Omsk 2008

§1. Historien om dannelsen av nanovitenskap………………………………………………………………3

§2. Grunnleggende begreper innen nanovitenskap……………………………………………………………………….5

§3. Egenskaper ved strukturen og oppførselen til noen nanopartikler …………………………………8

§4. Typer anvendt bruk av nanokjemi………………………………………………………………………………9

§5. Metoder for å oppnå nanopartikler………………………………………………………………..10

§6. Nanomaterialer og prospekter for deres anvendelse…………………………………………...11

Informasjonskilder………………………………………………………………………………………………13

§1. Historien om dannelsen av nanovitenskap

1905 Albert Einstein beviste teoretisk at størrelsen på et sukkermolekyl er p og årer er 1 nanometer.

1931 Tyske fysikere Ernst Ruska og Max Knoll laget elektronmikroskopet O omfang som gir 10 15 -dobling.

1932 Den nederlandske professoren Fritz Zernike oppfant fasekontrast mi Til roscope en variant av et optisk mikroskop som forbedret kvaliteten på visning av bildedetaljer EN zheniya, og studerte levende celler med dens hjelp.

1939 Siemens, der Ernst Ruska jobbet, produserte det første kommersielle elektronmikroskopet med en oppløsning på 10 nm.

1966 Den amerikanske fysikeren Russell Young, som jobbet ved National Bureau of Hundred n dart, oppfant motoren som brukes i dag i skanning av tunnelmikroer O skoper og for posisjonering av nanoinstrumenter med en nøyaktighet på 0,01 ångstrøm (1 nanometer = 10 ångstrøm).

1968 Bell Executive Vice President Alfred Cho og John Arthur, en ansatt i halvlederforskningsavdelingen, underbygget den teoretiske muligheten for å bruke nanoteknologi for å løse problemer med overflatebehandling og oppnå atompresisjon ved skapelse av elektroniske enheter.

1974 Den japanske fysikeren Norio Taniguchi, som jobbet ved Universitetet i Tokyo, foreslo begrepet "nanoteknologi" (prosessen med å dele, sette sammen og endre materie EN fiske ved å utsette dem for ett atom eller ett molekyl), som raskt ble populær i vitenskapelige kretser.

1982 Ved IBM Zurich Research Center har fysikerne Gerd Binnig og Ge n Rich Rohrer laget et skanningstunnelmikroskop (STM), som lar en konstruere et tredimensjonalt bilde av arrangementet av atomer på overflatene til ledende materialer.

1985 Tre amerikanske kjemikere: Rice University-professor Richard Smalley, samt Robert Karl og Harold Kroto, oppdaget fullerener - molekyler sammensatt Jeg bestående av 60 karbonatomer arrangert i form av en kule. Disse forskerne var også i stand til å måle et objekt på 1 nm i størrelse for første gang.

1986 Gerd Binnig utviklet en skanningsmikro for atomkraftsonde O omfang, som endelig gjorde det mulig å visualisere atomer av alle materialer (ikke bare O drivere), samt manipulere dem.

19871988 Ved Delta Research Institute under ledelse av P.N. Luskinovich satte i drift den første russiske nanoteknologiske installasjonen, som utførte den rettet flukt av partikler fra spissen av en mikroskopsonde under påvirkning av oppvarming.

1989 Forskerne Donald Eigler og Erhard Schwetzer fra California IBM Research Center klarte å legge ut navnet på selskapet deres med 35 xenonatomer på en nikkelkrystall.

1991 Japansk professor Sumio Lijima, som jobbet ved NEC, og Med brukte fullerener for å lage karbonrør (eller nanorør) med en diameter på 0,8 nm.

1991 Det første nanoteknologiprogrammet til National Science Foundation ble lansert i USA. Den japanske regjeringen er også engasjert i lignende aktiviteter.

1998 Cees Dekker, en nederlandsk professor ved Delfts tekniske universitet, laget en transistor basert på nanorør. For å gjøre dette, måtte han være den første i verden som endret seg e bestemme den elektriske ledningsevnen til et slikt molekyl.

2000 Den tyske fysikeren Franz Gissibl så subatomære partikler i silisium. Hans kollega Robert Magerle foreslo nanotomografiteknologi for å lage tredimensjonale R et nytt bilde av den indre strukturen til materie med en oppløsning på 100 nm.

2000 Den amerikanske regjeringen åpnet National Nanotechnology Institute Og initiativ (NNI). Det amerikanske budsjettet bevilget 270 millioner dollar til dette kommersielle området e Kinesiske selskaper investerte 10 ganger mer i det.

2002 Cees Dekker koblet et karbonrør med DNA, og skapte en enkelt nano e mekanisme.

2003 Professor Feng Liu fra University of Utah, ved å bruke arbeidet til Franz Gissibl, brukte et atommikroskop for å konstruere bilder av elektronbaner ved å analysere forstyrrelsene deres når de beveger seg rundt kjernen.

§2. Grunnleggende begreper innen nanovitenskap

Nanovitenskap dukket opp som en uavhengig disiplin først etter d alder 7-10 år. Studiet av nanostrukturer er en felles retning for mange klassiske vitenskapelige disipliner. Nanokjemi inntar en av de ledende stedene blant dem, da den åpner for nesten ubegrensede muligheter for utvikling, produksjon og forskning av nye nanomaterialer med spesifiserte egenskaper, ofte overlegne i kvalitet enn naturlige materialer.

Nanokjemi - er en vitenskap som studerer egenskapene til ulike sedimenter T strukturer, samt utvikling av nye metoder for deres produksjon, studier og modifikasjoner.

Den prioriterte oppgaven til nanokjemi eretablere en sammenheng mellom størrelsen på nanopartikler EN stitsa og dens egenskaper.

Objekter for nanokjemiforskninger kropper med en slik masse at deres ekvivalent Og valensstørrelsen forblir innenfor nanoområdet (0,1 100 nm).

Objekter i nanoskala inntar en mellomposisjon mellom bulkmaterialer på den ene siden og atomer og molekyler på den andre. Tilstedeværelsen av slikeъ ects i materialer gir dem nye kjemiske og fysiske egenskaper. Nanoobjekter er en mellomliggende og forbindende kobling mellom verdenen de opererer i. O kunnskap om kvantemekanikk, og verden der lovene i klassisk fysikk fungerer.

Karakteristiske størrelser på objekter i verden rundt

Nanokjemi studerer forberedelsen og egenskapene til ulike nanosystemer. Nanosystemer representerer et sett med kropper omgitt av en gass eller flytende medium. Slik t e De kan være polyatomiske klynger og molekyler, nanodråper og nanokrystaller. Dette er mellomformer mellom atomer og makroskopiske legemer. Systemstørrelse ca Med ligger innenfor 0,1 100 nm.

Klassifisering av nanokjemiske objekter etter fasetilstand

Fasetilstand	Enkelte atomer	Klynger	Nanopartikler	Kompakt stoff
Diameter, nm	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Over 100
Antall atomer	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Over 10 9

Utvalget av objekter studert av nanokjemi utvides stadig. Kjemikere har alltid søkt å forstå hva som er spesielt med nanometerstore kropper. Dette førte til den raske utviklingen av kolloidal og makromolekylær kjemi.

På 80-90-tallet av XX århundre, takket være metodene for elektronisk, atomkraft og n nel mikroskopi, var det mulig å observere oppførselen til nanokrystaller av metaller og n e organiske salter, proteinmolekyler, fullerener og nanorør, og de siste årene t EN Disse observasjonene ble utbredt.

Objekter for nanokjemisk forskning

Nanopartikler	Nanosystemer
Fullerenes	Krystaller, løsninger
Tubulener	Aggregater, løsninger
Proteinmolekyler	Løsninger, krystaller
Polymer molekyler	Soler, geler
Nanokrystaller av uorganiske e samfunn	Aerosoler, kolloidale løsninger, nedbør
Miceller	Kolloide løsninger
Nanoblokker	Faste stoffer
Langmuir filmer Blodgett	Kroppene med en film på overflaten
Klynger i gasser	Aerosoler
Nanopartikler i lag av forskjellige størrelser e samfunn	Nanostrukturerte filmer

Dermed kan følgende hovedkjennetegn ved nanokjemi skilles:

1. De geometriske dimensjonene til objekter er på en nanometerskala;
2. Manifestasjon av nye egenskaper ved gjenstander og deres samlinger;
3. Evne til å kontrollere og manipulere objekter nøyaktig;
4. Gjenstander og enheter satt sammen på grunnlag av objekter mottar nye forbrukere bskie egenskaper.

§3. Funksjoner ved strukturen og oppførselen til noen nanopartikler

Nanopartikler fra edelgassatomerer de enkleste nanoobjekteneъ ects. Atomer av inerte gasser med fullstendig fylte elektronskall samhandler svakt med hverandre gjennom van der Waals-krefter. Når man beskriver slike partikler, brukes modellen av harde kuler.

Metall nanopartikler. I metallklynger med flere atomer kan både kovalente og metalliske typer bindinger realiseres. Metallnanopartikler er svært reaktive og brukes ofte som katalysatorer. EN torov. Metallnanopartikler har vanligvis den vanlige formen til et oktaeder, icos EN hedron, tetradekaeder.

Fraktale klyngerdette er gjenstander med forgrenet struktur: sot, co l loider, ulike aerosoler og aerogeler. Fraktal er et objekt der, med alderen, Med Med økende forstørrelse kan man se hvordan den samme strukturen gjentas i den på alle nivåer og i alle skalaer.

Molekylære klyngerklynger som består av molekyler. De fleste klasser e grøft er molekylært. Antallet og variasjonen deres er enorm. Spesielt til molekyler på Mange biologiske makromolekyler tilhører polare klynger.

Fullerenes er hule innvendige partikler dannet av polygoner n hakk laget av karbonatomer forbundet med en kovalent binding. En spesiell plass blant fullere e nylig okkupert av en partikkel med 60 karbonatomer C 60 , som ligner en mikroskopisk fotball.

Nanorør disse er hule molekyler inne, bestående av omtrent 1.000.000 at O karbon og er ettlagsrør med en diameter på omtrent en nanometer og en lengde på flere titalls mikron. På overflaten av nanorøret er karbonatomer oppløst O lagt i toppunktene til vanlige sekskanter.

§4. Typer anvendt bruk av nanokjemi

Konvensjonelt kan nanokjemi deles inn i:

• Teoretisk
• Eksperimentell
• Anvendt

Teoretisk nanokjemiutvikler metoder for å beregne oppførselen til nanokropper, og tar hensyn til parametere for partiklers tilstand som romlige koordinater og hastighet O størrelse, masse, egenskaper ved sammensetningen, formen og strukturen til hver nanopartikkel.

Eksperimentell nanokjemiutvikler seg i tre retninger. Som en del av den første ultrasensitive spektralmetoder utvikles og brukes, ja Yu som gjør det mulig å bedømme strukturen til molekyler som inneholder titalls og hundrevis av atomer.Innenfor den andreretninger, fenomener under lokal (lokal) elektrisk e magnetiske eller mekaniske påvirkninger på nanokropper, implementert ved hjelp av nanoprober og spesielle manipulatorer.Som en del av den tredjeJeg bestemmer veibeskrivelsen T Xia makrokinetiske egenskaper ved nanokroppskollektiver og n distribusjonsfunksjoner EN merk i henhold til tilstandsparametere.

Anvendt nanokjemi inkluderer:

• Utvikling av teoretiske grunnlag for bruk av nanosystemer innen ingeniør- og nanoteknologi O ologi, metoder for å forutsi utviklingen av spesifikke nanosystemer under deres forhold og Med bruk, samt søket etter optimale operasjonsmetoder (teknisk og nochemi).
• Opprettelse av teoretiske modeller for oppførselen til nanosystemer under syntesen av nanomater e rialer og søken etter optimale forhold for deres produksjon (syntetisk nanokjemi).
• Studie av biologiske nanosystemer og utforming av metoder for bruk av nanometer Og stilker for medisinske formål (medisinsk nanokjemi).
• Utvikling av teoretiske modeller for dannelse og migrering av nanopartikler i miljøet på tøft miljø og metoder for å rense naturlig vann eller luft fra nanopartikler (f O logisk nanokjemi).

§5. Metoder for å oppnå nanopartikler

I utgangspunktet kan alle metoder for syntese av nanopartikler deles inn i to store grupper:

Spredningsmetoder, eller metoder for å oppnå nanopartikler ved å male en konvensjonell makroprøve

kondenseringsmetoder, eller metoder for å "dyrke" nanopartikler fra individuelle atomer.

Spredningsmetoder

Med dispersjonsmetoder knuses startlegemene til nanopartikler. Denne tilnærmingen til å skaffe nanopartikler kalles billedlig av noen forskere"top til bunn tilnærming" . Dette er den enkleste av alle måter å lage nanopartikler på, en slags "kjøtt" O kutting" for makrokropper. Denne metoden er mye brukt i produksjon av materialer for mikroelektronikk; den består i å redusere størrelsen på objekter til størrelser på nanoskala innenfor kapasiteten til industrielt utstyr og materialet som brukes. OG h Det er mulig å male et stoff til nanopartikler ikke bare mekanisk. Det russiske selskapet Advanced Powder Technologies produserer nanopartikler ved å eksplodere en metalltråd med en kraftig strømpuls.

Det finnes også mer eksotiske måter å skaffe nanopartikler på. Amerikanske forskere samlet mikroorganismer fra fikentreblader i 2003 Rhodococcus og plassert dem i en gullholdig løsning. Bakteriene fungerte som et kjemisk middel Med stabiliseringsmiddel, samler pene nanopartikler med en diameter på ca. 10 nm fra sølvioner. Ved å bygge nanopartikler føltes bakteriene normale og fortsatte å formere seg.

Kondensasjon metoder

Med kondenseringsmetoder ("bottom-up tilnærming") nanopartikler mottar n på temaer for forening av individuelle atomer. Metoden er at i kontrollert Med Under disse forholdene dannes ensembler av atomer og ioner. Som et resultat dannes nye objekter med nye strukturer og følgelig med nye egenskaper, som kan programmeres ved å endre betingelsene for dannelsen av ensembler. Denne d Flyttingen gjør det lettere å løse problemet med miniatyrisering av objekter, bringer oss nærmere å løse en rekke problemer innen høyoppløselig litografi, opprettelsen av nye mikroprosessorer, tynne polymerfilmer og nye halvledere.

§6. Nanomaterialer og prospekter for deres anvendelse

Konseptet med nanomaterialer ble først formulert i80-tallet av XX-tallet av G. Gleiter, som introduserte selve begrepet i vitenskapelig bruk " nanomateriale " I tillegg til tradisjonelle nanomaterialer (som kjemiske elementer og forbindelser, amorfe stoffer, metaller og deres legeringer), inkluderer disse nanohalvledere, nanopolymerer, n EN ikke-porøse materialer, nanopulver, mange karbon-nanostrukturer, n EN nobiomaterialer, supramolekylære strukturer og katalysatorer.

Faktorer som bestemmer de unike egenskapene til nanomaterialer, er de dimensjonale, elektroniske og kvanteeffektene av nanopartikler som danner dem, samt deres svært utviklede overflate. Tallrike studier har vist det b betydelige og teknisk interessante endringer i de fysiske og mekaniske egenskapene til nanomaterialer (styrke, hardhet osv.) skjer i partikkelstørrelsesområdet fra flere n EN tall opp til 100 nm. For tiden er det allerede oppnådd mange nanomaterialer basert på nitrider og borider med en krystallittstørrelse på omtrent 12 nm eller mindre.

På grunn av de spesifikke egenskapene til nanopartikler som ligger under dem, slike matter e Rialer er ofte overlegne "vanlige" på mange måter. For eksempel metastyrke l la oppnådd ved hjelp av nanoteknologi overstiger styrken til konvensjonelt materiale med 1,53 ganger, hardheten er 5070 ganger større, og korrosjonsmotstanden er 1012 ganger større.

Bruksområder for nanomaterialer:

• elementer av nanoelektronikk og nanofotonikk (halvledertransistorer og lasere; fotodetektorer; solceller; ulike sensorer)
• ultratett
• telekommunikasjon, informasjon og datateknologi, sup r datamaskiner
• videoutstyr flatskjermer, monitorer, videoprojektorer
• molekylære elektroniske enheter, inkludert brytere og elektroniske kretser på molekylært nivå
• brenselceller og energilagringsenheter
• enheter av mikro- og nanomekanikk, inkludert molekylære motorer og nanomotorer, nanoroboter
• nanokjemi og katalyse, inkludert forbrenningskontroll, belegg, elektrisk Til trochemi og farmasøytiske midler
• luftfarts-, rom- og forsvarsapplikasjoner tilstandsovervåkingsenheter Jeg miljøforskning
• målrettet levering av legemidler og proteiner, biopolymerer og helbredelse av biologisk vev, klinisk og medisinsk diagnostikk, dannelse av kunstige muskler på fiske, bein, implantasjon av levende organer
• biomekanikk, genomikk, bioinformatikk, bioinstrumentering
• registrering og identifikasjon av kreftfremkallende vev, patogener og biologisk skadelige midler; sikkerhet i landbruk og matproduksjon.

Omsk-regionen er klar til å utvikle nanoteknologi

Utviklingen av nanoteknologi er et av de prioriterte områdene for utvikling av vitenskap, teknologi og ingeniørvitenskap i Omsk-regionen.

I Omsk-grenen til Institute of Semiconductor Physics SB RAS blir det derfor utført forskning h arbeid med nanoelektronikk, og ved Institute of Hydrocarbon Processing Problems of SB RAS, arbeides det med å skaffe nanoporøse karbonbærere og katalysatorer.

Informasjonskilder:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 KB Leksjonsutstyr: Presentasjon Begynnelsen av den store patriotiske krigen, som bruker et kart over den første perioden av krigen, fragmenter av dokumentarer om krigen, et diagram om Tysklands og Sovjetunionens beredskap for krig, en utstilling med bøker dedikert til den store patriotiske krigen...

Kursplan

Avis nr.	Pedagogisk materiale
17	Forelesning nr. 1. Hva skjuler seg bak prefikset "nano"? Nanovitenskap og nanokjemi. Dimensjonseffekt. Klassifisering av nanoobjekter.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
18	Forelesning nr. 2. Metoder for syntese og forskning av nanopartikler. Klassifisering av metoder for syntese av nanopartikler. Kjemiske syntesemetoder ("bottom up"). Metoder for visualisering og forskning av nanopartikler.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
19	Forelesning nr. 3. Nanoteknologi. Grunnleggende og anvendt forskning: sammenheng mellom nanovitenskap og nanoteknologi. Mekaniske nanoenheter. Magnetiske nanomaterialer. Nanoteknologi i medisin. Utvikling av nanoteknologi.(Eremin V.V., Drozdov A.A.) Test nr. 1(forfallsdato: 25. november 2009)
20	Forelesning nr. 4. Karbon nanomaterialer. Allotropiske former for karbon er "nano" og "ikke-nano". Nanodiamanter. Fullerener og deres derivater. Nanorør, deres klassifisering og egenskaper. Generelle egenskaper til karbon nanoformer.(Eremin V.V.)
21	Forelesning nr. 5. Nanomaterialer for energi. Tradisjonelle og alternative energikilder. Nanomaterialer i brenselceller. Nanomaterialer for hydrogenlagring.(Eremin V.V.)
22	Forelesning nr. 6. Nanokatalyse. Generelle egenskaper til katalysatorer. Klassifisering av katalytiske reaksjoner. Prinsipper for strukturell og energisk etterlevelse. Katalyse på nanopartikler og zeolitter.(Eremin V.V.) Test nr. 2(forfallsdato – 30. desember 2009)
23	Forelesning nr. 7. Nanokjemi i Olympiade-problemer. 1. Enkle oppgaver. Metoder for å produsere nanopartikler. Struktur av nanopartikler. Egenskaper til nanopartikler.(Eremin V.V.)
24	Forelesning nr. 8. Nanokjemi i Olympiade-problemer. 2. Komplekse kombinerte oppgaver. (Eremin V.V.)
Avsluttende arbeid. En kort rapport om sluttarbeidet, vedlagt attest fra utdanningsinstitusjonen, skal sendes til Pedagogisk høyskole senest 28. februar 2010. (Flere detaljer om det endelige arbeidet vil bli publisert etter forelesning nr. 8.)

V.V.EREMIN,
A.A.DROZDOV

FOREDRAG nr. 1
Hva skjuler seg bak prefikset "nano"?

Nanovitenskap og nanokjemi

De siste årene har vi i økende grad sett ord som begynner med prefikset «nano» i avisoverskrifter og magasinartikler. På radio og TV blir vi nesten daglig informert om utsiktene for utviklingen av nanoteknologi og de første resultatene som oppnås. Hva betyr ordet "nano"? Det kommer fra det latinske ordet nanus- "dverg" og angir bokstavelig talt den lille størrelsen på partiklene. Forskere har gitt prefikset "nano" en mer presis betydning, nemlig en milliarddel. For eksempel er én nanometer én milliarddels meter, eller 0,000 000 001 m (10 –9 m).

Hvorfor vakte nanostørrelser oppmerksomheten til forskere? La oss gjennomføre et tankeeksperiment. Se for deg en terning av gull med en kant på 1 m. Den veier 19,3 tonn, og den inneholder et stort antall atomer. La oss dele denne kuben i åtte like deler. Hver av dem er en kube med en kant som er halvparten så stor som den originale. Det totale overflatearealet er doblet. Egenskapene til selve metallet endres imidlertid ikke (fig. 1). Vi vil fortsette denne prosessen videre. Så snart lengden på kubekanten nærmer seg størrelsen på store molekyler, vil egenskapene til stoffet bli helt annerledes. Vi har nådd nanonivået, dvs. oppnådde kubiske gull nanopartikler. De har en enorm total overflate, noe som resulterer i mange uvanlige egenskaper og gjør dem ganske forskjellige fra vanlig gull. For eksempel kan gullnanopartikler fordeles jevnt i vann, og danner en kolloidal løsning - en sol. Avhengig av partikkelstørrelsen kan gullsol ha en oransje, lilla, rød eller til og med grønn farge (fig. 2).

Historien om å tilberede gullsoler ved reduksjon fra dets kjemiske forbindelser går tilbake til en fjern fortid. Det er mulig at de var «livets eliksir» som ble nevnt av de gamle og hentet fra gull. Den berømte legen Paracelsus, som levde på 1500-tallet, nevner fremstillingen av "løselig gull" og bruken av det i medisin. Vitenskapelig forskning på kolloidalt gull begynte først på 1800-tallet. Interessant nok er noen av løsningene utarbeidet på den tiden fortsatt bevart. I 1857 beviste den engelske fysikeren M. Faraday at den lyse fargen på løsningen skyldtes små partikler av gull i suspensjon. For tiden oppnås kolloidalt gull fra hydroaurinsyre ved reduksjon med natriumborhydrid i toluen med et overflateaktivt middel tilsatt, noe som øker stabiliteten til solen (se forelesning nr. 7, oppgave 1).

Merk at denne tilnærmingen til å skaffe nanopartikler fra individuelle atomer, dvs. fra bunn til topp i størrelse, ofte kalt stigende (engelsk - opp ned). Det er karakteristisk for kjemiske metoder for syntese av nanopartikler. I tankeeksperimentet vi beskrev om å dele en gullbarre, tok vi den motsatte tilnærmingen - ovenfra og ned ( ovenfra og ned), som er basert på knusing av partikler, vanligvis ved fysiske metoder (fig. 3).

Vi kan møte gullnanopartikler ikke bare i et kjemisk laboratorium, men også i et museum. Innføringen av en liten mengde gullforbindelser i smeltet glass fører til deres nedbrytning med dannelse av nanopartikler. Det er de som gir glasset den knallrøde fargen, som det kalles "gylden rubin".

Menneskeheten ble kjent med materialer som inneholder nanoobjekter for mange århundrer siden. I Syria (i hovedstaden Damaskus og andre byer) lærte de i middelalderen å lage sterke, skarpe og klangfulle blader og sabler. I mange år ga mestere hemmeligheten med å forberede Damaskus-stål til hverandre i dyp hemmelighet. Våpenstål, ikke dårligere i eiendommer enn Damaskus, ble også utarbeidet i andre land - i India og Japan. Kvalitativ og kvantitativ analyse av slike stål tillot ikke forskere å forklare de unike egenskapene til disse materialene. Som i vanlig stål, sammen med jern, inneholder de karbon i en mengde på ca. 1,5 vekt%. Sammensetningen av Damaskus-stål inneholdt også metallurenheter, for eksempel mangan, som følger med jern i noen malmer, og sementitt - jernkarbid Fe 3 C, dannet ved interaksjon av jern med kull under reduksjon fra malm. Men etter å ha forberedt stål med nøyaktig samme kvantitative sammensetning som Damaskus, klarte ikke forskere å oppnå egenskapene som ligger i originalen.

Når du analyserer et materiale, må du først være oppmerksom på strukturen! Etter å ha oppløst et stykke Damaskus-stål i saltsyre, oppdaget tyske forskere at karbonet i det ikke danner vanlige flate grafittflak, men karbon nanorør. Dette er navnet gitt til partikler oppnådd ved å vri ett eller flere lag med grafitt til en sylinder. Inne i nanorørene er det hulrom som ble fylt med sementitt i Damaskus-stål. De tynneste trådene av dette stoffet binder individuelle nanorør til hverandre, noe som gir materialet ekstraordinær styrke, viskositet og elastisitet. I dag har de lært å produsere karbon nanorør i store mengder, men hvordan middelalderens "teknologer" klarte å skaffe dem er fortsatt et mysterium. Forskere antyder at dannelsen av nanorør fra kull, som kom inn i stål fra brennende tre, ble forenklet av noen urenheter og et spesielt temperaturregime med gjentatt oppvarming og avkjøling av produktet. Dette var nettopp hemmeligheten som håndverkerne hadde, mistet gjennom årene.

Som vi ser, skiller egenskapene til nanostoffer og nanomaterialer seg vesentlig fra egenskapene til objekter med samme kvalitative og kvantitative sammensetning, men som ikke inneholder nanopartikler.

I middelalderen ble skapelsen av stoffer som vi i dag kaller nanomaterialer tilnærmet seg empirisk, d.v.s. gjennom mange år med eksperimenter, hvorav mange endte i fiasko. Håndverkerne tenkte ikke over betydningen av handlingene de utførte, de hadde ikke engang en grunnleggende forståelse av strukturen til disse stoffene og materialene. For tiden har opprettelsen av nanomaterialer blitt gjenstand for vitenskapelig aktivitet. Begrepet "nanovitenskap" er allerede etablert på vitenskapelig språk. nanovitenskap), som betegner studiefeltet for partikler på nanometerstørrelse. Siden dette navnet fra fonetikk til det russiske språket ikke er veldig vellykket, kan du bruke en annen, også generelt akseptert - "nanoskalavitenskap" (engelsk - vitenskap på nanoskala).

Nanovitenskap utvikler seg i skjæringspunktet mellom kjemi, fysikk, materialvitenskap og datateknologi. Den har mange applikasjoner. Bruken av nanomaterialer i elektronikk forventes å øke kapasiteten til lagringsenheter med tusen ganger, og følgelig redusere størrelsen. Det er bevist at innføring av gullnanopartikler i kroppen i kombinasjon med røntgenbestråling undertrykker veksten av kreftceller. Interessant nok har ikke gullnanopartikler i seg selv en helbredende effekt. Deres rolle er redusert til å absorbere røntgenstråling og lede den til svulsten.

Legene venter også på at kliniske studier av biosensorer for å diagnostisere kreft skal fullføres. Nanopartikler blir allerede brukt til å levere medisiner til kroppsvev og øke effektiviteten av absorpsjon av dårlig løselige stoffer. Påføring av sølvnanopartikler på emballasjefilmer kan forlenge holdbarheten til produktene. Nanopartikler brukes i nye typer solcellepaneler og brenselceller - enheter som konverterer energien fra brenselforbrenning til elektrisitet. I fremtiden vil bruken av dem gjøre det mulig å forlate forbrenningen av hydrokarbonbrensel ved termiske kraftverk og i forbrenningsmotorer til kjøretøy - og det er de som gir størst bidrag til forverringen av miljøsituasjonen på planeten vår. På denne måten tjener nanopartikler det formål å skape miljøvennlige materialer og måter å produsere energi på.

Oppgavene til nanovitenskap kommer ned til studiet av mekaniske, elektriske, magnetiske, optiske og kjemiske egenskaper til nanoobjekter - stoffer og materialer. Nanokjemi som en av komponentene i nanovitenskap, er den engasjert i utviklingen av syntesemetoder og studiet av de kjemiske egenskapene til nanoobjekter. Det er nært knyttet til materialvitenskap, siden nanoobjekter er en del av mange materialer. Medisinske anvendelser av nanokjemi er svært viktige, inkludert syntese av stoffer relatert til naturlige proteiner eller nanokapsler som tjener til å bære medikamenter.

Prestasjoner av nanovitenskap tjener som grunnlag for utviklingen nanoteknologi– teknologiske prosesser for produksjon og bruk av nanoobjekter. Nanoteknologi har lite til felles med de eksemplene på kjemisk produksjon som diskuteres i et skolekjemikurs. Dette er ikke overraskende - tross alt må nanoteknologer manipulere objekter med en størrelse på 1–100 nm, dvs. har størrelsen på individuelle store molekyler.

Det er en streng definisjon av nanoteknologi*: dette er et sett med metoder og teknikker som brukes i studiet, design, produksjon og bruk av strukturer, enheter og systemer, inkludert målrettet kontroll og modifikasjon av formen, størrelsen, integrasjonen og interaksjonen av deres konstituerende nanoskalaelementer (1–100 nm) å skaffe gjenstander med nye kjemiske, fysiske, biologiske egenskaper. Nøkkelen i denne definisjonen er den siste delen, som understreker at hovedoppgaven til nanoteknologi er å skaffe objekter med nye egenskaper.

Størrelseseffekt

Nanopartikler kalles ofte objekter som består av atomer, ioner eller molekyler og har en størrelse på mindre enn 100 nm. Et eksempel er metallpartikler. Vi har allerede snakket om gullnanopartikler. Og i svart-hvitt-fotografering, når lyset treffer filmen, brytes sølvbromid ned. Det fører til utseendet av metalliske sølvpartikler som består av flere titalls eller hundrevis av atomer. Siden antikken har det vært kjent at vann i kontakt med sølv kan drepe patogene bakterier. Den helbredende kraften til slikt vann er forklart av innholdet av bittesmå sølvpartikler i det, dette er nanopartikler! På grunn av sin lille størrelse skiller disse partiklene seg i egenskaper både fra individuelle atomer og fra bulkmateriale som består av mange milliarder av milliarder atomer, for eksempel en sølvbarre.

Det er kjent at mange fysiske egenskaper til et stoff, som dets farge, termiske og elektriske ledningsevne og smeltepunkt, avhenger av partikkelstørrelsen. For eksempel er smeltetemperaturen til gullnanopartikler 5 nm i størrelse 250° lavere enn for vanlig gull (fig. 4). Når størrelsen på gullnanopartikler øker, øker smeltetemperaturen og når en verdi på 1337 K, karakteristisk for et konvensjonelt materiale (som ellers kalles bulkfasen, eller makrofasen).

Glass får farge hvis det inneholder partikler hvis størrelse er sammenlignbar med bølgelengden til synlig lys, dvs. er i nanostørrelse. Det er nettopp dette som forklarer de lyse fargene til middelalderske glassmalerier, som inneholder nanopartikler av metaller eller deres oksider av forskjellige størrelser. Og den elektriske ledningsevnen til et materiale bestemmes av den gjennomsnittlige frie banen - avstanden et elektron reiser mellom to kollisjoner med atomer. Det måles også i nanometer. Hvis størrelsen på en metallnanopartikkel viser seg å være mindre enn denne avstanden, bør materialet forventes å utvikle spesielle elektriske egenskaper som ikke er karakteristiske for vanlig metall.

Dermed er nanoobjekter ikke bare preget av sin lille størrelse, men også av de spesielle egenskapene de viser når de fungerer som en integrert del av materialet. For eksempel er fargen på "gylden rubin" glass eller en kolloidal løsning av gull ikke forårsaket av en gullnanopartikkel, men av deres ensemble, dvs. et stort antall partikler plassert i en viss avstand fra hverandre.

Individuelle nanopartikler som ikke inneholder mer enn 1000 atomer kalles nanokluster. Egenskapene til slike partikler skiller seg betydelig fra egenskapene til en krystall, som inneholder et stort antall atomer. Dette forklares av overflatens spesielle rolle. Faktisk forekommer reaksjoner som involverer faste stoffer ikke i bulken, men på overflaten. Et eksempel er interaksjonen mellom sink og saltsyre. Hvis du ser nøye etter, kan du se at det dannes hydrogenbobler på overflaten av sinken, og atomene som ligger i dypet deltar ikke i reaksjonen. Atomer som ligger på overflaten har mer energi pga de har færre naboer i krystallgitteret. En gradvis nedgang i partikkelstørrelse fører til en økning i det totale overflatearealet, en økning i andelen atomer på overflaten (fig. 5) og en økning i overflateenergiens rolle. Den er spesielt stor i nanokluster, hvor flertallet av atomene er lokalisert på overflaten. Derfor er det ikke overraskende at for eksempel nanogold er mange ganger mer kjemisk aktivt enn konvensjonelt gull. For eksempel tjener gullnanopartikler som inneholder 55 atomer (diameter 1,4 nm) avsatt på overflaten av TiO 2 som gode katalysatorer for selektiv oksidasjon av styren med atmosfærisk oksygen til benzaldehyd ( Natur, 2008):

C 6 H 5 –CH=CH 2 + O 2 -> C 6 H 5 –CH=O + H 2 O,

mens partikler med en diameter på mer enn 2 nm, og enda mer vanlig gull, ikke viser katalytisk aktivitet i det hele tatt.

Aluminium er stabilt i luft, og nanopartikler av aluminium oksideres øyeblikkelig av atmosfærisk oksygen, og blir til Al 2 O 3 oksid. Studier har vist at nanopartikler av aluminium med en diameter på 80 nm i luft blir overgrodd med et oksidlag med en tykkelse på 3 til 5 nm. Et annet eksempel: det er velkjent at vanlig sølv er uløselig i fortynnede syrer (unntatt salpetersyre). Imidlertid vil svært små sølvnanopartikler (ikke mer enn 5 atomer) løse seg opp med frigjøring av hydrogen selv i svake syrer som eddiksyre, for dette er det nok å skape surheten til løsningen pH = 5 (se forelesning nr. 8 , oppgave 4).

Avhengigheten av de fysiske og kjemiske egenskapene til nanopartikler på størrelsen kalles størrelseseffekt. Dette er en av de viktigste effektene innen nanokjemi. Han har allerede funnet en teoretisk forklaring fra klassisk vitenskaps ståsted, nemlig kjemisk termodynamikk. Dermed forklares smeltetemperaturens avhengighet av størrelse ved at atomer inne i nanopartikler opplever ytterligere overflatetrykk, som endrer deres Gibbs-energi (se forelesning nr. 8, oppgave 5). Ved å analysere Gibbs-energiens avhengighet av trykk og temperatur, kan man enkelt utlede en ligning som relaterer smeltetemperaturen og radiusen til nanopartikler - den kalles Gibbs–Thomson-ligningen:

Hvor T pl ( r) – smeltetemperatur for et nanoobjekt med en nanopartikkelradius r, T pl () – smeltetemperatur for vanlig metall (bulkfase), tv.-zh – overflatespenning mellom flytende og fast fase, H pl er den spesifikke fusjonsvarmen, TV er tettheten til faststoffet.

Ved å bruke denne ligningen er det mulig å estimere ved hvilken størrelse egenskapene til nanofasen begynner å avvike fra egenskapene til et konvensjonelt materiale. Som kriterium tar vi forskjellen i smeltetemperatur på 1 % (for gull er dette ca. 14 °C). I "Brief Chemical Reference Book" (forfattere: V.A. Rabinovich, Z.Ya. Khavin) finner vi for gull: H pl = 12,55 kJ/mol = 63,71 J/g, tv = 19,3 g/cm3. I vitenskapelig litteratur er verdien for overflatespenning gitt som sol = 0,55 N/m = 5,5–10–5 J/cm 2. La oss løse ulikheten med disse dataene:

Dette estimatet, selv om det er ganske grovt, korrelerer godt med verdien på 100 nm, som vanligvis brukes når man snakker om maksimal størrelse på nanopartikler. Her tok vi selvfølgelig ikke hensyn til avhengigheten av fusjonsvarmen av temperatur og overflatespenning på partikkelstørrelse, og sistnevnte effekt kan være ganske betydelig, som det fremgår av resultatene av vitenskapelig forskning.

Mange andre eksempler på størrelseseffekten med beregninger og kvalitative forklaringer vil bli gitt i forelesninger nr. 7 og nr. 8.

Klassifisering av nanoobjekter

Det er mange forskjellige måter å klassifisere nanoobjekter på. I henhold til den enkleste av dem er alle nanoobjekter delt inn i to store klasser - solid (“ekstern”) og porøs (“intern”) (diagram).

Opplegg

Klassifisering av nanoobjekter
(fra et foredrag av prof. B.V. Romanovsky)

Solide objekter er klassifisert etter størrelse: 1) volumetriske tredimensjonale (3D) strukturer, de kalles nanoclusters ( klynge– akkumulering, gjeng); 2) flate todimensjonale (2D) objekter – nanofilmer; 3) lineære endimensjonale (1D) strukturer - nanofilamenter eller nanotråder (nanoledninger); 4) nulldimensjonale (0D) objekter – nanoprikker eller kvanteprikker. Porøse strukturer inkluderer nanorør (se forelesning 4) og nanoporøse materialer, for eksempel amorfe silikater (se forelesning nr. 8, oppgave 2).

Selvfølgelig er denne klassifiseringen, som alle andre, ikke uttømmende. Den dekker ikke en ganske viktig klasse av nanopartikler - molekylære aggregater oppnådd ved supramolekylære kjemimetoder. Vi skal se på det i neste forelesning.

Noen av de mest aktivt studerte strukturene er nanokluster– består av metallatomer eller relativt enkle molekyler. Siden egenskapene til klynger i stor grad avhenger av størrelsen deres (størrelseseffekt), har deres egen klassifisering blitt utviklet for dem - etter størrelse (tabell).

Bord

Klassifisering av metallnanokluster etter størrelse
(fra et foredrag av prof. B.V. Romanovsky)

Antall atomer i en nanocluster	Diameter, nm	Fraksjon av atomer på overflaten, %	Antall indre lag	Klyngetype
1	0,24 – 0,34	100	0	–
2	0,45 – 0,60	100	0	–
3 – 12	0,55 – 0,80	100	0	Liten
13 – 100	0,8 – 2,0	92 – 63	1 – 3	Gjennomsnitt
10 2 – 10 4	2 – 10	63 – 15	4 – 18	Stor
10 4 – 10 5	10 – 30	15 – 2	> 18	Kjempe
> 10 6	> 30	< 2	mye av	Kolloidalt partikkel

Det viste seg at formen på nanocluster avhenger betydelig av størrelsen, spesielt med et lite antall atomer. Resultatene av eksperimentelle studier i kombinasjon med teoretiske beregninger viste at gullnanokluster som inneholder 13 og 14 atomer har en flat struktur, i tilfelle av 16 atomer har de en tredimensjonal struktur, og i tilfelle av 20 danner de en ansiktssentrert kubikkcelle, som minner om strukturen til vanlig gull. Det ser ut til at med en ytterligere økning i antall atomer bør denne strukturen bevares. Det er det imidlertid ikke. En partikkel bestående av 24 gullatomer i gassfasen har en uvanlig langstrakt form (fig. 6). Ved hjelp av kjemiske metoder er det mulig å feste andre molekyler til klyngene fra overflaten, som er i stand til å organisere dem i mer komplekse strukturer. Det ble funnet at gullnanopartikler koblet til fragmenter av polystyrenmolekyler [–CH 2 –CH(C 6 H 5)–] n eller polyetylenoksid (–CH 2 CH 2 O–) n, når de slippes ut i vann, kombineres de med polystyrenfragmentene til sylindriske aggregater som ligner kolloidale partikler - miceller, hvorav noen når en lengde på 1000 nm. Forskere antyder at slike gjenstander kan brukes som kreftmedisiner og katalysatorer.

Naturlige polymerer – gelatin eller agar-agar – brukes også som stoffer som overfører gullnanopartikler til løsning. Ved å behandle dem med kloraurinsyre eller dens salt, og deretter med et reduksjonsmiddel, oppnås nanopulver som er løselige i vann med dannelse av knallrøde løsninger som inneholder kolloidale gullpartikler. (For mer informasjon om strukturen og egenskapene til metallnanokluster, se forelesning nr. 7, oppgave 1 og 4.)

Interessant nok er nanokluster til stede selv i vanlig vann. De er agglomerater av individuelle vannmolekyler forbundet med hverandre med hydrogenbindinger. Det er anslått at i mettet vanndamp ved romtemperatur og atmosfærisk trykk, per 10 millioner enkeltvannmolekyler er det 10 000 dimerer (H 2 O) 2, 10 sykliske trimerer (H 2 O) 3 og en tetramer (H 2 O) 4 . Partikler med mye høyere molekylvekt, dannet av flere titalls og til og med hundrevis av vannmolekyler, ble også funnet i flytende vann. Noen av dem eksisterer i flere isomere modifikasjoner, forskjellig i form og rekkefølge for tilkobling av individuelle molekyler. Det er spesielt mange klynger i vann ved lave temperaturer, nær smeltepunktet. Dette vannet er preget av spesielle egenskaper - det har en høyere tetthet sammenlignet med is og absorberes bedre av planter. Dette er et annet eksempel på at egenskapene til et stoff ikke bare bestemmes av dets kvalitative eller kvantitative sammensetning, dvs. kjemisk formel, men også dens struktur, inkludert på nanonivå.

Blant andre nanoobjekter har nanorør vært de mest studerte. Dette er navnet på lange sylindriske strukturer med dimensjoner på flere nanometer. Karbonnanorør ble først oppdaget i 1951 av sovjetiske fysikere L.V. Radushkevich og V.M. Lukyanovich, men publikasjonen deres, som dukket opp et år senere i et innenlandsk vitenskapelig tidsskrift, gikk ubemerket hen. Interessen for dem oppsto igjen etter utenlandske forskeres arbeid på 1990-tallet. Karbonnanorør er hundre ganger sterkere enn stål, og mange av dem leder varme og elektrisitet godt. Vi har allerede nevnt dem når vi snakker om Damaskus-blader. Du lærer mer om karbon nanorør i forelesning nr. 4.

Nylig klarte forskere å syntetisere nanorør av bornitrid, samt noen metaller, som gull (fig. 7, se s. 14). Når det gjelder styrke er de betydelig dårligere enn karbon, men takket være deres mye større diameter er de i stand til å inkludere til og med relativt store molekyler. For å få gull nanorør er det ikke nødvendig med oppvarming - alle operasjoner utføres ved romtemperatur. En kolloidal løsning av gull med en partikkelstørrelse på 14 nm føres gjennom en kolonne fylt med porøst aluminiumoksid. I dette tilfellet setter gullklynger seg fast i porene som er tilstede i strukturen til aluminiumoksid, og kombineres med hverandre til nanorør. For å frigjøre de resulterende nanorørene fra aluminiumoksid, behandles pulveret med syre - aluminiumoksidet løses opp, og gullnanorør legger seg i bunnen av karet, som ligner alger på mikrofotografiet.

Et eksempel på endimensjonale nanoobjekter er nanotråder, eller nanotråder– dette er navnet gitt til utvidede nanostrukturer med et tverrsnitt på mindre enn 10 nm. Med denne størrelsesorden begynner objektet å vise spesielle, kvanteegenskaper. La oss sammenligne en kobber nanotråd med en lengde på 10 cm og en diameter på 3,6 nm med samme ledning, men med en diameter på 0,5 mm. Dimensjonene til en vanlig ledning er mange ganger større enn avstandene mellom atomer, så elektroner beveger seg fritt i alle retninger. I en nanotråd er elektroner i stand til å bevege seg fritt bare i én retning - langs ledningen, men ikke på tvers av den, fordi dens diameter er bare flere ganger større enn avstanden mellom atomene. Fysikere sier at i en nanotråd er elektroner lokalisert i tverrretningene, og delokalisert i lengderetningen.

Nanotråder av metaller (nikkel, gull, kobber) og halvledere (silisium), dielektrikum (silisiumoksid) er kjent. Ved sakte å interagere silisiumdamp med oksygen under spesielle forhold, er det mulig å få til nanotråder av silisiumoksyd, hvorpå sfæriske silisiumformasjoner, som minner om kirsebær, henger som på greiner. Størrelsen på et slikt "bær" er bare 20 mikron (µm). Molekylære nanotråder skiller seg noe fra hverandre, et eksempel på dette er DNA-molekylet, som holder arvelig informasjon. Et lite antall uorganiske molekylære nanotråder er molybdensulfider eller selenider. Et fragment av strukturen til en av disse forbindelsene er vist i fig. 8. På grunn av tilgjengelighet d-elektroner i molybdenatomer og overlapping av delvis fylte d-orbitaler, dette stoffet leder elektrisk strøm.

Forskning på nanotråder pågår fortsatt på laboratorienivå. Det er imidlertid allerede klart at de vil bli etterspurt når man lager nye generasjoner datamaskiner. Halvleder nanotråder, som konvensjonelle halvledere, kan dopes** iht R- eller n-type. Allerede har nanotråder blitt brukt til å lage s–n- overganger med en uvanlig liten størrelse. Slik skapes gradvis grunnlaget for utviklingen av nanoelektronikk.

Den høye styrken til nanofibre gjør det mulig å forsterke ulike materialer, inkludert polymerer, med dem for å øke deres stivhet. Og å erstatte den tradisjonelle karbonanoden i litium-ion-batterier med en stålanode belagt med silisiumnanofilamenter har gjort det mulig å øke kapasiteten til denne strømkilden med en størrelsesorden.

Et eksempel på todimensjonale nanoobjekter er nanofilmer. På grunn av sin svært lille tykkelse (bare ett eller to molekyler), sender de lys og er usynlige for øyet. Polymer nanobelegg laget av polystyren og andre polymerer beskytter pålitelig mange gjenstander som brukes i hverdagen - dataskjermer, mobiltelefonvinduer, brilleglass.

Enkelte nanokrystaller av halvledere (for eksempel sinksulfid ZnS eller kadmiumselenid CdSe) opp til 10–50 nm i størrelse kalles kvanteprikker. De regnes som nulldimensjonale nanoobjekter. Slike nanoobjekter inneholder fra hundre til hundre tusen atomer. Når en kvantehalvleder bestråles, vises et elektron-hull-par (eksiton), hvis bevegelse i kvanteprikken er begrenset i alle retninger. På grunn av dette er eksitonenerginivåene diskrete. Ved overgang fra eksitert tilstand til grunntilstand sender en kvanteprikk ut lys, og bølgelengden avhenger av størrelsen på prikken. Denne evnen brukes til å utvikle neste generasjons lasere og skjermer. Kvanteprikker kan også brukes som biologiske merkelapper (markører) ved å koble dem til visse proteiner. Kadmium er ganske giftig, så når man produserer kvanteprikker basert på kadmiumselenid, er de belagt med et beskyttende skall av sinksulfid. Og for å produsere vannløselige kvanteprikker, som er nødvendig for biologiske applikasjoner, kombineres sink med små organiske ligander.

Verden av nanostrukturer som allerede er skapt av forskere er veldig rik og mangfoldig. I den kan du finne analoger av nesten alle makroobjekter i vår vanlige verden. Den har sin egen flora og fauna, sine egne månelandskap og labyrinter, kaos og orden. En stor samling av forskjellige bilder av nanostrukturer er tilgjengelig på nettstedet www.nanometer.ru. Har alt dette praktisk anvendelse? Selvfølgelig ikke. Nanovitenskap er fortsatt veldig ung - den er bare rundt 20 år gammel! Og som enhver ung organisme utvikler den seg veldig raskt og begynner akkurat å være nyttig. Så langt er bare en liten del av prestasjoner innen nanovitenskap blitt brakt til nivået av nanoteknologi, men prosentandelen av implementering vokser hele tiden, og om noen tiår vil våre etterkommere være forvirret – hvordan kunne vi eksistere uten nanoteknologi!

Spørsmål

1. Hva kalles nanovitenskap? Nanoteknologi?

2. Kommenter uttrykket "hvert stoff har et nanonivå."

3. Beskriv nanokjemiens plass i nanovitenskapen.

4. Bruk informasjonen gitt i forelesningsteksten, anslå antall gullatomer i 1 m 3 og i 1 nm 3.

Svar. 5,9 10 28 ; 59.

5. En av grunnleggerne av nanovitenskap, den amerikanske fysikeren R. Feynman, som snakket om den teoretiske muligheten for mekanisk å manipulere individuelle atomer, tilbake i 1959, sa en setning som ble berømt: "Det er mye plass der nede." ("Det er god plass nederst"). Hvordan forstår du forskerens uttalelse?

6. Hva er forskjellen mellom fysiske og kjemiske metoder for å produsere nanopartikler?

7. Forklar betydningen av begrepene: "nanopartikkel", "klynge", "nanorør", "nanowire", "nanofilm", "nanopowder", "kvanteprikk".

8. Forklar betydningen av begrepet "størrelseseffekt". Hvilke egenskaper viser det seg i?

9. Kobbernanopulver, i motsetning til kobbertråd, løses raskt i hydrojodsyre. Hvordan forklare dette?

10. Hvorfor er fargen på gullkolloide løsninger som inneholder nanopartikler forskjellig fra fargen på vanlig metall?

11. En sfærisk gullnanopartikkel har en radius på 1,5 nm, radiusen til et gullatom er 0,15 nm. Anslå hvor mange gullatomer som finnes i nanopartikkelen.

Svar. 1000.

12. Hvilken type klynge tilhører Au 55-partikkelen?

13. Hvilke andre produkter, foruten benzaldehyd, kan dannes under oksidasjon av styren med atmosfærisk oksygen?

14. Hva er likhetene og forskjellene mellom vann oppnådd ved å smelte is og vann dannet ved kondensering av damp?

15. Gi eksempler på nanoobjekter av dimensjon 3; 2; 1; 0.

Litteratur

Nanoteknologi. ABC for alle. Ed. acad. Yu.D. Tretyakova. M.: Fizmatlit, 2008; Sergeev G.B. Nanokjemi. M.: Book House University, 2006; Ratner M., Ratner D. Nanoteknologi. En enkel forklaring på en annen genial idé. M.: Williams, 2007; Rybalkina M. Nanoteknologi for alle. M., 2005; Menshutina N.V.. Introduksjon til nanoteknologi. Kaluga: Forlag for vitenskapelig litteratur Bochkareva N.F., 2006; Lalayants I.E. Nanokjemi. Chemistry (Pervoe September Publishing House), 2002, nr. 46, s. 1; Rakov E.G. Kjemi og nanoteknologi: to synspunkter. Chemistry (Pervoe September Publishing House), 2004, nr. 36, s. 29.

Internett-ressurser

www.nanometer.ru – informasjonsside dedikert til nanoteknologi;

www.nauka.name – populærvitenskapelig portal;

www.nanojournal.ru – russisk elektronisk “Nanojournal”.

* Offisielt vedtatt av det russiske statsselskapet Rusnanotech.

** Doping er introduksjon av små mengder urenheter som endrer den elektroniske strukturen til materialet. – Merk utg.