Работа студента

Нанотехнологии в химии

Краткая история развития нанотехнологии

Впервые это научное направление обозначил Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман в своей лекции с образным названием «внизу полным-полно места», прочитанной в 1969 году , в которой он обосновал практически неограниченные перспективы материалов и устройств, построенных на частицах с размерами, соизмеримыми с размерами единичных атомов или молекул, а интенсивное развитие этого направления уже в настоящее время привело к целому ряду открытий в естествознании и технологии.

Краткая история развития нанотехнологии

В 1983 году один из пионеров наноразмерных компьютеров

Ф. Картер предсказал, что микроэлектронные интегральные схемы пересекут нанометровую границу около 2020 года. Однако начало практической нанотехнологии было ознаменовано изобретением в 1982 году сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Так, с помощью СТМ оказалось возможным перемещение индивидуальных атомов и молекулярных фрагментов по поверхности подложки в заранее определенные места.

Определения

• Нано (обозначение н или n) — одна миллиардная часть единого целого. Дольная приставка в системе единиц СИ, означающая множитель 10^−9 (одна миллиардная).

• Нанометр (нм, nm) — единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра (т.е. 10^−9 метра). Устаревшее название — миллимикрон (10^−3 микрона; обозначения: ммк, mμ)

• Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, методов применения и создания объектов путём контролируемого манипулирования отдельными атомами, молекулами и компонентами с размерами от 1 до 100 нм (в одном или нескольких направлениях).

• Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, вследствие чего, обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Объекты исследования

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. В ряде работ используется следующая классификация объектов нанотехнологии:

• Углеродные нанотрубки
• Фуллерены
• Графен
• Нанокристаллы
• Аэрогель
• Наноаккумуляторы

Углеродные нанотрубки

Это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от

одного до нескольких десятков нанометров и длиной до

нескольких сантиметров , состоящие из одной или нескольких

свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и

заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая

может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Возможные применения нанотрубок:

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
• Миниатюрные датчики для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

Фуллерены

Фуллерены, бакиболы или букиболы — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода

и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов

углерода.

Области применения:

• Аккумуляторы и электрические батареи
• Добавки для получения искусственных алмазов методом высокого давления(выход алмазов увеличивается на ≈30 %)
• Создание новых лекарств
• Огнезащитные краски
• Изготовление солнечных элементов

Графен

Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода,

образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных

посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его

можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

Применение:

• Транзисторы с базовой толщиной до 10 нм
• Очень чувствительные сенсоры для обнаружения отдельных молекул химических веществ
• Изготовление электродов в ионисторах
• Новый тип светодиодов (LEC)

Нанокристаллы

• Идеальный нанокристалл — это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее это математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл (кристалл) является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела.

• Реальный нанокристалл всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в решётке.

Применение:

• Активные элементы элекролюминисцентных панелей
• Флуоресцентные маркеры различных биологических объектов
• Нанокристаллические солнечные батареи

Аэрогель

Аэрогели (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Применение:

• Газовых и жидкостные фильтры
• Аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить взрывчаткой
• Радиатор в черенковских детекторах заряженных частиц
• Используется в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.

Блоки аэрогеля

Наноаккумуляторы

Наноаккумуляторы – это аккумуляторы, использующие технологию нанопластин (менее 100 нм). Для сравнения, традиционные литиево-ионная технология использующая такие материалы, как оксиды лития с кобальтом или марганцем , чьи частицы имеют размер 5-20 мкм.

Устройство:

• Анод – обычно либо графит, либо сердечник из нержавеющий стали, покрытый нанослоем кремния.
• Катод
• Электролит

Преимущества:

• Более быстрое время зарядки аккумулятора, чем у литиево-ионных аналогов.
• Более сильное создаваемое напряжение, и значительно увеличенная плотность заряда.
• Меньший вес
• Увеличенный срок эксплуатации

Применение нанотехнологии в химии

• Получение наноматериалов, содержащих неорганические кластеры, образованные чистыми металлами, сплавами металлов, состоящих из элементов переходных групп, оксидами, карбидами и сульфидами металлов, а также углеродными и органическими молекулярными кластерами.
• Получение материалов, представляющих собой молекулярное сито с точно заданными размерами пор. К подобным материалам в настоящее время относятся нанокрасталлы ситаллов, гидроксилапатита, пористый кремний и т.д.
• Получение нанозамкнутых атомных оболочек, в первую очередь углеродных, типа фуллеренов и их производных: нанотрубок разного строения, диаметра и хиральности.
• Получение пленок, в которых наноразмеры фиксируются, создаются с одном направлении. Это могут быть металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки толщиной в несколько атомных молекулярных слоев.
• Получение наноразмерных катализаторов. Данные катализаторы обеспечивают высокую избирательную способность и высокий выход продуктов реакций. Это достигается изменением функциональных свойств поверхности катализатора, её элементного состава или числа атомов в отдельных наночастицах катализатора.

Применение нанотехнологии в медицине и биологии

Нанотехнология дает возможность детально изучать химические процессы на молекулярном уровне, процессы ионного обмена клетки с окружением, величину электрического тока в нервных волокнах и т.д. в первую очередь это относится к изучению химических процессов на поверхности и внутри живой клетки.

Наночастицы могут быть использованы для разработки эффективных методов доставки лекарственных препаратов внутрь клеток.

Для этого учеными были синтезированы двухслойные наночастицы, названные «наноснарядами». Задачей было доставить токсин внутрь раковой опухоли и тем самым уничтожить её. Во внешней оболочке находится препарат, вызывающий коллапс кровеносных сосудов, что предотвращает распространения токсина по всему организму, а в ядре наночастицы должен содержаться токсин, убивающий раковую клетку. Таким образом, внешняя оболочка наночастицы рассасывается, выпускает лекарство, сокращающее сосуды, в то время как остальные наночастицы проникают через поры в мембранах раковых клеток, где вторая оболочка выпускает токсин, убивающий раковую клетку.

Нанотехнология позволяет создать бисовместимые поверхности контакта, открывающие новые области, связанные с имплантами и использованием искусственных органов. Это утверждение достаточно полно подтверждается применением частиц аморфного гидроксилапатита в имплантологии костной ткани.

Конец