Kształcenie na odległość to nowoczesna forma skutecznego kształcenia dokształcającego i zaawansowanego szkolenia w zakresie kształcenia specjalistów w zakresie rozwoju obiecujących technologii wytwarzania materiałów funkcjonalnych i nanomateriałów. Jest to jedna z obiecujących form nowoczesnej edukacji rozwijającej się na całym świecie. Ta forma zdobywania wiedzy jest szczególnie istotna w tak interdyscyplinarnej dziedzinie, jaką są nanomateriały i nanotechnologia. Zaletami kursów zdalnych jest ich dostępność, elastyczność w konstruowaniu ścieżek edukacyjnych, poprawa efektywności i efektywności procesu interakcji ze studentami, opłacalność w porównaniu do studiów stacjonarnych, które jednak można harmonijnie połączyć z nauczaniem na odległość. Z zakresu podstawowych zasad nanochemii i nanomateriałów materiały wideo przygotowało Centrum Naukowo-Edukacyjne Nanotechnologii Uniwersytetu Moskiewskiego:

• . Podstawowe pojęcia i definicje nauk o nanosystemach i nanotechnologii. Historia powstania nanotechnologii i nauk o nanosystemach. Interdyscyplinarność i multidyscyplinarność. Przykłady nanoobiektów i nanosystemów, ich cechy i zastosowania technologiczne. Przedmioty i metody nanotechnologii. Zasady i perspektywy rozwoju nanotechnologii.
• . Podstawowe zasady tworzenia nanosystemów. Metody fizyczne i chemiczne. Procesy otrzymywania nanoobiektów „od góry do dołu”. Klasyczna, „miękka”, mikrosfera, wiązka jonów (FIB), AFM - litografia i nanoindentacja. Aktywacja mechaniczna i mechanosynteza nanoobiektów. Procesy pozyskiwania nanoobiektów „oddolnie”. Procesy zarodkowania w ośrodkach gazowych i skondensowanych. Zarodkowanie heterogeniczne, epitaksja i heteroepitaksja. Zanik kręgosłupa. Synteza nanoobiektów w matrycach amorficznych (szklistych). Metody homogenizacji chemicznej (współstrącanie, metoda zol-żel, technologia kriochemiczna, piroliza aerozolowa, obróbka solwotermiczna, suszenie nadkrytyczne). Klasyfikacja nanocząstek i nanoobiektów. Techniki otrzymywania i stabilizacji nanocząstek. Agregacja i dezagregacja nanocząstek. Synteza nanomateriałów w nanoreaktorach jedno i dwuwymiarowych.
• . Fizyka statystyczna nanoukładów. Cechy przejść fazowych w małych układach. Rodzaje oddziaływań wewnątrz- i międzycząsteczkowych. Hydrofobowość i hydrofilowość. Samoorganizacja i samoorganizacja. Tworzenie miceli. Samoorganizujące się monowarstwy. Filmy Langmuira-Blodgetta. Supramolekularna organizacja cząsteczek. Rozpoznawanie molekularne. Makrocząsteczki polimerowe, metody ich otrzymywania. Samoorganizacja w układach polimerowych. Separacja mikrofazowa kopolimerów blokowych. Dendrymery, szczotki polimerowe. Samoorganizacja warstwa po warstwie polielektrolitów. Polimery supramolekularne.
• . Substancja, faza, materiał. Hierarchiczna struktura materiałów. Nanomateriały i ich klasyfikacja. Nieorganiczne i organiczne nanomateriały funkcjonalne. Materiały hybrydowe (organiczno-nieorganiczne i nieorganiczno-organiczne). Biomineralizacja i bioceramika. Nanostrukturalne materiały 1D, 2D i 3D. Materiały mezoporowate. Sita molekularne. Nanokompozyty i ich właściwości synergistyczne. Nanomateriały strukturalne.
• . Kataliza i nanotechnologia. Podstawowe zasady i koncepcje katalizy heterogenicznej. Wpływ warunków przygotowania i aktywacji na powstawanie powierzchni aktywnej katalizatorów heterogenicznych. Reakcje wrażliwe na strukturę i niewrażliwe na strukturę. Specyfika właściwości termodynamicznych i kinetycznych nanocząstek. Elektrokataliza. Kataliza na zeolitach i sitach molekularnych. Kataliza membranowa.
• . Polimery na materiały konstrukcyjne i układy funkcjonalne. „Inteligentne” systemy polimerowe zdolne do wykonywania złożonych funkcji. Przykłady systemów „inteligentnych” (płyny polimerowe do produkcji ropy naftowej, inteligentne okna, nanostrukturalne membrany do ogniw paliwowych). Biopolimery jako najbardziej „inteligentne” systemy. Podejście biomimetyczne. Projektowanie sekwencji w celu optymalizacji właściwości inteligentnych polimerów. Zagadnienia ewolucji molekularnej sekwencji w biopolimerach.
• . Rozpatrzono stan obecny i problemy tworzenia nowych materiałów na chemiczne źródła energii: ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) i akumulatory litowe. Analizie poddano kluczowe czynniki strukturalne wpływające na właściwości różnych związków nieorganicznych, decydujące o możliwości ich zastosowania jako materiałów elektrodowych: perowskity złożone w SOFC oraz związki metali przejściowych (kompleksowe tlenki i fosforany) w bateriach litowych. Rozważono główne materiały anodowe i katodowe stosowane w bateriach litowych i uznane za obiecujące: ich zalety i ograniczenia, a także możliwość przezwyciężenia ograniczeń poprzez ukierunkowane zmiany w strukturze atomowej i mikrostrukturze materiałów kompozytowych poprzez nanostrukturyzację w celu poprawy właściwości bieżących źródeł.

Wybrane zagadnienia omawiane są w następujących rozdziałach książki (Wydawnictwo Binom):

Materiały ilustracyjne dotyczące nanochemii, samoorganizacji i powierzchni nanostrukturalnych:

Naukowo popularne „wideoksiążki”:

Wybrane rozdziały nanochemii i nanomateriałów funkcjonalnych.

Nanochemia

Chemia i farmakologia

Nanonauka wyłoniła się jako niezależna dyscyplina dopiero w ciągu ostatnich 7–10 lat. Badanie nanostruktur jest wspólnym kierunkiem wielu klasycznych dyscyplin naukowych. Nanochemia zajmuje wśród nich jedno z czołowych miejsc, otwiera bowiem niemal nieograniczone możliwości rozwoju, produkcji i badań...

FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI OMSK PAŃSTWOWY UNIWERSYTET PEDAGOGICZNY WYDZIAŁ CHEMII I BIOLOGII
KATEDRA CHEMII I METODY NAUCZANIA CHEMII

Nanochemia

Ukończył: student 1-ХО Kuklina N.E.

Sprawdził: dr, profesor nadzwyczajny B.Ya.

Omsk 2008

§1. Historia powstania nanonauki………………………………………………………3

§2. Podstawowe pojęcia nanonauki…………………………………………………………….5

§3. Cechy budowy i zachowania niektórych nanocząstek……………………………8

§4. Rodzaje stosowanych zastosowań nanochemii……………………………………………………….....9

§5. Metody otrzymywania nanocząstek………………………………………………………..10

§6. Nanomateriały i perspektywy ich zastosowania…………………………………...11

Źródła informacji………………………………………………………………………………13

§1. Historia powstania nanonauki

1905 Albert Einstein teoretycznie udowodnił, że wielkość cząsteczki cukru wynosi p a żyły mają wielkość 1 nanometra.

1931 Niemieccy fizycy Ernst Ruska i Max Knoll stworzyli mikroskop elektronowy O zakres zapewniający 10 15 -krotny wzrost.

1932 Holenderski profesor Fritz Zernike wynalazł mi kontrast fazowy Do roskop odmiana mikroskopu optycznego poprawiająca jakość wyświetlania szczegółów obrazu A zheniya i badał żywe komórki przy jego pomocy.

1939 Firma Siemens, w której pracował Ernst Ruska, wyprodukowała pierwszy komercyjny mikroskop elektronowy o rozdzielczości 10 nm.

1966 Amerykański fizyk Russell Young, który pracował w National Bureau of Hundred N darts, wynalazł silnik stosowany dziś w skanowaniu mikro tuneli O lunet i do pozycjonowania nanoprzyrządów z dokładnością do 0,01 angstremów (1 nanometr = 10 angstremów).

1968 Wiceprezes wykonawczy firmy Bell Alfred Cho i członek jej działu badań nad półprzewodnikami John Arthur uzasadnili teoretyczną możliwość wykorzystania nanotechnologii w rozwiązywaniu problemów obróbki powierzchni i osiąganiu precyzji atomowej w tworzeniu urządzeń elektronicznych.

1974 Japoński fizyk Norio Taniguchi, który pracował na Uniwersytecie Tokijskim, zaproponował termin „nanotechnologia” (proces dzielenia, składania i zmiany materii A łowienie ryb poprzez wystawienie ich na działanie jednego atomu lub jednej cząsteczki), co szybko zyskało popularność w kręgach naukowych.

1982 W Centrum Badawczym IBM w Zurychu fizycy Gerd Binnig i Ge N Rich Rohrer stworzył skaningowy mikroskop tunelowy (STM), który pozwala na skonstruowanie trójwymiarowego obrazu rozmieszczenia atomów na powierzchniach materiałów przewodzących.

1985 Trzej amerykańscy chemicy: profesor Rice University Richard Smalley oraz Robert Karl i Harold Kroto odkryli fulereny – cząsteczki zbudowane I składający się z 60 atomów węgla ułożonych w kształt kuli. Naukowcy ci byli także w stanie po raz pierwszy zmierzyć obiekt o wielkości 1 nm.

1986 Gerd Binnig opracował mikrosondę skanującą sił atomowych O zakres, który w końcu umożliwił wizualizację atomów dowolnych materiałów (nie tylko O sterowniki), a także manipulować nimi.

19871988 W Instytucie Badawczym Delta pod kierownictwem P.N. Łuskinowicz uruchomił pierwszą rosyjską instalację nanotechnologiczną, która przeprowadziła ukierunkowaną ucieczkę cząstek z końcówki sondy mikroskopowej pod wpływem ogrzewania.

1989 Naukowcom Donaldowi Eiglerowi i Erhardowi Schwetzerowi z kalifornijskiego Centrum Badawczego IBM udało się ułożyć nazwę swojej firmy za pomocą 35 atomów ksenonu na krysztale niklu.

1991 Japoński profesor Sumio Lijima, który pracował w NEC, oraz Z wykorzystali fulereny do wytworzenia rurek węglowych (lub nanorurek) o średnicy 0,8 nm.

1991 Pierwszy program nanotechnologiczny National Science Foundation został uruchomiony w Stanach Zjednoczonych. W podobne działania angażuje się także rząd japoński.

1998 Cees Dekker, holenderski profesor na Politechnice w Delfts, stworzył tranzystor oparty na nanorurkach. Aby tego dokonać, musiał jako pierwszy na świecie dokonać zmiany mi określić przewodność elektryczną takiej cząsteczki.

2000 Niemiecki fizyk Franz Gissibl widział cząstki subatomowe w krzemie. Jego kolega Robert Magerle zaproponował technologię nanotomografii do tworzenia trójwymiarowych obiektów R nowy obraz wewnętrznej struktury materii z rozdzielczością 100 nm.

2000 Rząd USA otworzył Narodowy Instytut Nanotechnologii I inicjatywa (NNI). Budżet USA przeznaczył na ten obszar komercyjny 270 milionów dolarów mi Chińskie firmy zainwestowały w nią 10 razy więcej.

2002 Cees Dekker połączył rurkę węglową z DNA, tworząc pojedyncze nano mechanizm.

2003 Profesor Feng Liu z Uniwersytetu Utah, korzystając z prac Franza Gissibla, wykorzystał mikroskop atomowy do skonstruowania obrazów orbit elektronów, analizując ich zaburzenia podczas ruchu wokół jądra.

§2. Podstawowe pojęcia nanonauki

Nanonauka wyłoniła się jako niezależna dyscyplina dopiero później D wiek 7-10 lat. Badanie nanostruktur jest wspólnym kierunkiem wielu klasycznych dyscyplin naukowych. Nanochemia zajmuje wśród nich jedno z czołowych miejsc, otwiera bowiem niemal nieograniczone możliwości rozwoju, produkcji i badań nowych nanomateriałów o określonych właściwościach, często przewyższających jakością materiały naturalne.

Nanochemia - to nauka zajmująca się badaniem właściwości różnych osadów T konstrukcji, a także opracowywanie nowych metod ich wytwarzania, badania i modyfikacji.

Priorytetowym zadaniem nanochemii jestustalenie zależności pomiędzy wielkością nanocząstek A stitsa i jej właściwości.

Obiekty badań nanochemicznychto ciała o masie odpowiadającej ich masie I wielkość wartościowości pozostaje w nanozakresie (0,1 100 nm).

Obiekty w nanoskali zajmują pozycję pośrednią pomiędzy materiałami masowymi z jednej strony, a atomami i cząsteczkami z drugiej. Obecność takichъ wpływa na materiały, nadając im nowe właściwości chemiczne i fizyczne. Nanoobiekty stanowią pośrednie i łączące ogniwo pomiędzy światem, w którym działają. O znajomość mechaniki kwantowej i świata, w którym działają prawa fizyki klasycznej.

Charakterystyczne rozmiary obiektów w otaczającym świecie

Nanochemia bada wytwarzanie i właściwości różnych nanosystemów. Nanosystemy przedstawiają zbiór ciał otoczonych ośrodkiem gazowym lub ciekłym. Takie t mi Mogą to być klastry i cząsteczki wieloatomowe, nanokropelki i nanokryształy. Są to formy pośrednie pomiędzy atomami i ciałami makroskopowymi. Rozmiar systemów ok Z leży w granicach 0,1 100 nm.

Klasyfikacja obiektów nanochemicznych ze względu na stan fazowy

Stan fazowy	Pojedyncze atomy	Klastry	Nanocząstki	Substancja zwarta
Średnica, nm	0,1-0,3	0,3-10	10-100	Ponad 100
Liczba atomów	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	Ponad 10 9

Zakres obiektów badanych przez nanochemię stale się poszerza. Chemicy zawsze starali się zrozumieć, co jest specjalnego w ciałach o rozmiarach nanometrowych. Doprowadziło to do szybkiego rozwoju chemii koloidalnej i makromolekularnej.

W latach 80-90 XX wieku, dzięki metodom elektronicznym, siłom atomowym i N mikroskopii Nela udało się zaobserwować zachowanie nanokryształów metali i n mi sole organiczne, cząsteczki białek, fulereny i nanorurki, a w ostatnich latach t A Obserwacje te stały się powszechne.

Obiekty badań nanochemicznych

Nanocząstki	Nanosystemy
Fulereny	Kryształy, roztwory
Tubuleny	Agregaty, rozwiązania
Cząsteczki białka	Rozwiązania, kryształy
Cząsteczki polimeru	Zole, żele
Nanokryształy substancji nieorganicznych społeczeństwa	Aerozole, roztwory koloidalne, opady atmosferyczne
Micele	Roztwory koloidalne
Nanobloki	ciała stałe
Langmuir filmuje Blodgetta	Ciała z filmem na powierzchni
Klastry w gazach	Aerozole
Nanocząstki w warstwach o różnych rozmiarach społeczeństwa	Folie nanostrukturalne

Zatem można wyróżnić następujące główne cechy nanochemii:

1. Wymiary geometryczne obiektów podano w skali nanometrowej;
2. Manifestacja nowych właściwości przez przedmioty i ich zbiory;
3. Umiejętność kontrolowania i precyzyjnego manipulowania obiektami;
4. Przedmioty i urządzenia zmontowane na bazie przedmiotów zyskują nowych odbiorców bskie właściwości.

§3. Cechy budowy i zachowania niektórych nanocząstek

Nanocząstki z atomów gazu szlachetnegoto najprostsze nanoobiektyъ ect. Atomy gazów obojętnych z całkowicie wypełnionymi powłokami elektronowymi słabo oddziałują ze sobą za pomocą sił van der Waalsa. Do opisu takich cząstek posługuje się modelem twardych kul.

Nanocząstki metali. W klastrach metali składających się z kilku atomów można realizować zarówno wiązania kowalencyjne, jak i metaliczne. Nanocząstki metali są wysoce reaktywne i często stosuje się je jako katalizatory. A torow. Nanocząstki metali zwykle przyjmują regularny kształt ośmiościanu, icos A hedron, czworościan.

Gromady fraktalnesą to obiekty o rozgałęzionej strukturze: sadza, co l loidy, różne aerozole i aerożele. Fraktal to obiekt, w którym wraz z wiekiem Z Wraz ze wzrostem powiększenia widać, jak powtarza się w nim ta sama struktura na wszystkich poziomach i w dowolnej skali.

Klastry molekularneklastry składające się z cząsteczek. Większość klastrów mi rów ma charakter molekularny. Ich liczba i różnorodność jest ogromna. W szczególności do cząsteczek Na Wiele makrocząsteczek biologicznych należy do klastrów polarnych.

Fulereny to puste w środku cząstki utworzone przez wielokąty N nacięcia utworzone z atomów węgla połączonych wiązaniem kowalencyjnym. Szczególne miejsce wśród foluszy mi nowo zajęty przez cząstkę o 60 atomach węgla C 60 przypominający mikroskopijną piłkę nożną.

Nanorurki są to puste w środku cząsteczki, składające się z około 1 000 000 at O węgla i są to rurki jednowarstwowe o średnicy około nanometra i długości kilkudziesięciu mikronów. Na powierzchni nanorurki rozpuszczone są atomy węgla O ułożone na wierzchołkach regularnych sześciokątów.

§4. Rodzaje stosowanych zastosowań nanochemii

Konwencjonalnie nanochemię można podzielić na:

• Teoretyczny
• Eksperymentalny
• Stosowany

Nanochemia teoretycznaopracowuje metody obliczania zachowania nanociał, uwzględniając takie parametry stanu cząstek, jak współrzędne przestrzenne i prędkość O wielkość, masa, charakterystyka składu, kształt i struktura każdej nanocząstki.

Nanochemia eksperymentalnarozwija się w trzech kierunkach. W ramach pierwszego Tak, opracowywane i stosowane są ultraczułe metody spektralne Yu umożliwiając ocenę struktury cząsteczek zawierających dziesiątki i setki atomów.W ciągu sekundykierunki, zjawiska pod lokalnym (lokalnym) elektrycznym mi wpływy magnetyczne lub mechaniczne na nanociała, realizowane przy użyciu nanosond i specjalnych manipulatorów.W ramach trzeciegoUstalam kierunki T Charakterystyka makrokinetyczna Xia kolektywów nanociał i n funkcji dystrybucji A uwaga zgodnie z parametrami stanu.

Nanochemia stosowana obejmuje:

• Opracowanie podstaw teoretycznych zastosowania nanosystemów w inżynierii i nanotechnologii O biologia, metody przewidywania rozwoju określonych nanosystemów w ich warunkach oraz Z użytkowania, a także poszukiwanie optymalnych metod działania (technicznych i nochemia).
• Tworzenie teoretycznych modeli zachowania nanoukładów podczas syntezy nanomatów mi riale i poszukiwanie optymalnych warunków ich wytwarzania (nanochemia syntetyczna).
• Badanie nanoukładów biologicznych i tworzenie metod wykorzystania nanometrów I łodygi do celów leczniczych (nanochemia medyczna).
• Opracowanie teoretycznych modeli powstawania i migracji nanocząstek w środowisku Na trudne środowisko i metody oczyszczania wód naturalnych lub powietrza z nanocząstek (np O nanochemia logiczna).

§5. Metody otrzymywania nanocząstek

Zasadniczo wszystkie metody syntezy nanocząstek można podzielić na dwie duże grupy:

Metody dyspersyjnelub sposoby otrzymywania nanocząstek poprzez rozdrobnienie konwencjonalnej makropróbki

metody kondensacyjne, czyli metody „hodowania” nanocząstek z pojedynczych atomów.

Metody dyspersyjne

Metodami dyspersyjnymi ciała wyjściowe rozdrabnia się na nanocząstki. Niektórzy naukowcy nazywają to podejście do otrzymywania nanocząstek w przenośni„podejście od góry do dołu” . To najprostszy ze wszystkich sposobów tworzenia nanocząstek, swego rodzaju „mięsa” O wycinanie” makrociał. Metoda ta znajduje szerokie zastosowanie w produkcji materiałów dla mikroelektroniki, polega na zmniejszaniu rozmiarów obiektów do rozmiarów nano w ramach możliwości urządzeń przemysłowych i użytego materiału. I H Rozdrobnienie substancji na nanocząstki możliwe jest nie tylko mechanicznie. Rosyjska firma Advanced Powder Technologies produkuje nanocząstki poprzez eksplozję metalowej nici silnym impulsem prądowym.

Istnieją również bardziej egzotyczne sposoby otrzymywania nanocząstek. Amerykańscy naukowcy zebrali mikroorganizmy z liści drzewa figowego w 2003 roku rodokok i umieścił je w roztworze zawierającym złoto. Bakterie zadziałały jak środek chemiczny Z środek stabilizujący, zbierający czyste nanocząstki o średnicy około 10 nm z jonów srebra. Budując nanocząsteczki, bakterie czuły się normalnie i nadal się rozmnażały.

Kondensacja metody

Metodami kondensacyjnymi ("Podejście oddolne") nanocząstki otrzymują n Na tematy unifikacji poszczególnych atomów. Metoda jest kontrolowana Z W tych warunkach tworzą się zespoły atomów i jonów. W rezultacie powstają nowe obiekty o nowych strukturach i odpowiednio o nowych właściwościach, które można zaprogramować, zmieniając warunki tworzenia zespołów. Ten D Posunięcie to ułatwia rozwiązanie problemu miniaturyzacji obiektów, przybliża nas do rozwiązania szeregu problemów litografii wysokiej rozdzielczości, tworzenia nowych mikroprocesorów, cienkich folii polimerowych i nowych półprzewodników.

§6. Nanomateriały i perspektywy ich zastosowania

Pojęcie nanomateriałów zostało po raz pierwszy sformułowane w rLata 80. XX wieku autorstwa G. Gleitera, który wprowadził sam termin do użytku naukowego „ nanomateriał " Oprócz tradycyjnych nanomateriałów (takich jak pierwiastki i związki chemiczne, substancje amorficzne, metale i ich stopy) zaliczają się do nich nanopółprzewodniki, nanopolimery, n A materiały nieporowate, nanoproszki, liczne nanostruktury węglowe, n A nobiomateriały, struktury supramolekularne i katalizatory.

Czynniki decydujące o unikalnych właściwościach nanomateriałów, to efekty wymiarowe, elektroniczne i kwantowe tworzących je nanocząstek, a także ich bardzo rozwinięta powierzchnia. Wykazały to liczne badania B istotne i ciekawe technicznie zmiany właściwości fizyko-mechanicznych nanomateriałów (wytrzymałość, twardość itp.) zachodzą w zakresie wielkości cząstek od kilku n A liczby do 100 nm. Obecnie otrzymano już wiele nanomateriałów na bazie azotków i borków o wielkości krystalitów około 12 nm lub mniejszych.

Ze względu na specyficzne właściwości znajdujących się pod nimi nanocząstek powstają takie maty mi Riale są często lepsze od „zwykłych” pod wieloma względami. Na przykład meta siła l la uzyskany za pomocą nanotechnologii przewyższa wytrzymałość materiału konwencjonalnego 1,53 razy, jego twardość jest 5070 razy większa, a odporność na korozję 1012 razy większa.

Obszary zastosowań nanomateriałów:

• elementy nanoelektroniki i nanofotoniki (tranzystory półprzewodnikowe i lasery; fotodetektory; ogniwa słoneczne; różne czujniki)
• urządzenia rejestrujące bardzo gęstą informację
• telekomunikacja, technologie informacyjne i komputerowe, supe r komputery
• sprzęt wideo, telewizory płaskie, monitory, projektory wideo
• molekularne urządzenia elektroniczne, w tym przełączniki i obwody elektroniczne na poziomie molekularnym
• ogniwa paliwowe i urządzenia magazynujące energię
• urządzenia mikro- i nanomechaniki, w tym silniki molekularne i nanosilniki, nanoroboty
• nanochemia i kataliza, w tym kontrola spalania, powlekanie, elektryka Do trochęchemii i farmacji
• urządzenia do monitorowania stanu w lotnictwie, przestrzeni kosmicznej i obronności I badania środowiskowe
• celowane dostarczanie leków i białek, biopolimery i gojenie tkanek biologicznych, diagnostyka kliniczna i medyczna, tworzenie sztucznych mięśni Na wędkarstwo, kości, implantacja żywych narządów
• biomechanika, genomika, bioinformatyka, bioinstrumentacja
• rejestracja i identyfikacja tkanek rakotwórczych, patogenów i czynników biologicznie szkodliwych; bezpieczeństwo w rolnictwie i produkcji żywności.

Region omski jest gotowy do rozwoju nanotechnologii

Rozwój nanotechnologii jest jednym z priorytetowych obszarów rozwoju nauki, technologii i inżynierii w regionie omskim.

Tak więc w omskim oddziale Instytutu Fizyki Półprzewodników SB RAS prowadzone są badania H prace nad nanoelektroniką, a w Instytucie Problemów Przeróbki Węglowodorów SB RAS trwają prace nad otrzymaniem nanoporowatych nośników węgla i katalizatorów.

Źródła informacji:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometr.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67KB Wyposażenie lekcji: Prezentacja Początek Wielkiej Wojny Ojczyźnianej, w której wykorzystano mapę początkowego okresu wojny, fragmenty filmów dokumentalnych o wojnie, diagram dotyczący gotowości Niemiec i ZSRR do wojny, wystawę książek poświęconych Wielka Wojna Ojczyźniana...

Program kursu

Gazeta nr.	Materiał edukacyjny
17	Wykład nr 1. Co kryje się za przedrostkiem „nano”? Nanonauka i nanochemia. Efekt wymiarowy. Klasyfikacja nanoobiektów.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
18	Wykład nr 2. Metody syntezy i badania nanocząstek. Klasyfikacja metod syntezy nanocząstek. Chemiczne metody syntezy („od dołu do góry”). Metody wizualizacji i badania nanocząstek.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
19	Wykład nr 3. Nanotechnologia. Badania podstawowe i stosowane: związek nanonauki i nanotechnologii. Nanourządzenia mechaniczne. Nanomateriały magnetyczne. Nanotechnologia w medycynie. Rozwój nanotechnologii.(Eremin V.V., Drozdov A.A.) Próba nr 1(termin: 25 listopada 2009)
20	Wykład nr 4. Nanomateriały węglowe. Alotropowe formy węgla to „nano” i „nie-nano”. Nanodiamenty. Fulereny i ich pochodne. Nanorurki, ich klasyfikacja i właściwości. Ogólne właściwości nanoform węglowych.(Eremin V.V.)
21	Wykład nr 5. Nanomateriały dla energii. Tradycyjne i alternatywne źródła energii. Nanomateriały w ogniwach paliwowych. Nanomateriały do ​​magazynowania wodoru.(Eremin V.V.)
22	Wykład nr 6. Nanokataliza. Ogólne właściwości katalizatorów. Klasyfikacja reakcji katalitycznych. Zasady zgodności strukturalnej i energetycznej. Kataliza na nanocząstkach i zeolitach.(Eremin V.V.) Próba nr 2(termin: 30 grudnia 2009)
23	Wykład nr 7. Nanochemia w problematyce olimpiad. 1. Proste zadania. Metody wytwarzania nanocząstek. Struktura nanocząstek. Właściwości nanocząstek.(Eremin V.V.)
24	Wykład nr 8. Nanochemia w problematyce olimpiad. 2. Złożone zadania łączone. (Eremin V.V.)
Ostateczna praca. Krótkie sprawozdanie z pracy końcowej wraz z zaświadczeniem z placówki edukacyjnej należy przesłać do Uniwersytetu Pedagogicznego nie później niż do 28 lutego 2010 r. (Więcej szczegółów na temat pracy końcowej zostanie opublikowanych po wykładzie nr 8.)

V.V.EREMIN,
A.A.DROZDOV

WYKŁAD nr 1
Co kryje się za przedrostkiem „nano”?

Nanonauka i nanochemia

W ostatnich latach coraz częściej w nagłówkach gazet i artykułach w czasopismach spotykamy słowa zaczynające się od przedrostka „nano”. W radiu i telewizji niemal codziennie informujemy o perspektywach rozwoju nanotechnologii i pierwszych uzyskanych wynikach. Co oznacza słowo „nano”? Pochodzi od słowa łacińskiego nanus- „karzeł” i dosłownie wskazuje na mały rozmiar cząstek. Naukowcy nadali przedrostkowi „nano” bardziej precyzyjne znaczenie, a mianowicie jedną miliardową część. Na przykład jeden nanometr to jedna miliardowa metra, czyli 0,000 000 001 m (10–9 m).

Dlaczego nanorozmiary przyciągnęły uwagę naukowców? Przeprowadźmy eksperyment myślowy. Wyobraź sobie sześcian złota o krawędzi 1 m. Waży 19,3 tony i zawiera ogromną liczbę atomów. Podzielmy ten sześcian na osiem równych części. Każdy z nich to sześcian o krawędzi o połowę mniejszej od pierwotnej. Łączna powierzchnia uległa podwojeniu. Nie zmieniają się jednak właściwości samego metalu (ryc. 1). Będziemy kontynuować ten proces dalej. Gdy tylko długość krawędzi sześcianu zbliży się do wielkości dużych cząsteczek, właściwości substancji staną się zupełnie inne. Dotarliśmy do poziomu nano, tj. otrzymano sześcienne nanocząstki złota. Mają ogromną powierzchnię całkowitą, co skutkuje wieloma niezwykłymi właściwościami i sprawia, że ​​zupełnie różnią się od zwykłego złota. Przykładowo nanocząstki złota można równomiernie rozprowadzić w wodzie, tworząc roztwór koloidalny – zol. W zależności od wielkości cząstek zol złota może mieć kolor pomarańczowy, fioletowy, czerwony, a nawet zielony (ryc. 2).

Historia otrzymywania zoli złota poprzez redukcję jego związków chemicznych sięga odległej przeszłości. Możliwe, że były to „eliksir życia”, o którym mówili starożytni, otrzymywany ze złota. Słynny lekarz Paracelsus żyjący w XVI wieku wspomina o wytwarzaniu „rozpuszczalnego złota” i jego zastosowaniu w medycynie. Badania naukowe nad złotem koloidalnym rozpoczęły się dopiero w XIX wieku. Co ciekawe, część opracowanych wówczas rozwiązań zachowała się do dziś. W 1857 roku angielski fizyk M. Faraday udowodnił, że jasna barwa roztworu wynika z obecności małych cząstek złota w zawiesinie. Obecnie złoto koloidalne otrzymuje się z kwasu solnego w drodze redukcji borowodorkiem sodu w toluenie z dodatkiem środka powierzchniowo czynnego, który zwiększa stabilność zolu (patrz wykład nr 7, zadanie 1).

Należy pamiętać, że takie podejście do otrzymywania nanocząstek z pojedynczych atomów, tj. od dołu do góry, często nazywany rosnącym (angielski - oddolnie). Jest to charakterystyczne dla chemicznych metod syntezy nanocząstek. W opisanym przez nas eksperymencie myślowym dotyczącym podziału sztabki złota przyjęliśmy podejście odwrotne – od góry do dołu ( z góry na dół), która polega na rozdrabnianiu cząstek, najczęściej metodami fizycznymi (rys. 3).

Nanocząstki złota możemy spotkać nie tylko w laboratorium chemicznym, ale także w muzeum. Wprowadzenie niewielkiej ilości związków złota do roztopionego szkła prowadzi do ich rozkładu z utworzeniem nanocząstek. To oni nadają szkłu jaskrawoczerwony kolor, dla którego nazywa się go „złotym rubinem”.

Ludzkość poznała materiały zawierające nanoobiekty wiele wieków temu. W Syrii (w jej stolicy Damaszku i innych miastach) w średniowieczu nauczyli się wytwarzać mocne, ostre i dźwięczne ostrza i szable. Przez wiele lat mistrzowie w głębokiej tajemnicy przekazywali sobie nawzajem sekret przygotowania stali damasceńskiej. Stal zbrojeniową, nie gorszą właściwościami od Damaszku, przygotowywano także w innych krajach - w Indiach i Japonii. Analiza jakościowa i ilościowa takich stali nie pozwoliła naukowcom wyjaśnić unikalnych właściwości tych materiałów. Podobnie jak zwykła stal, wraz z żelazem zawierają węgiel w ilości około 1,5% wagowo. W składzie stali damasceńskiej stwierdzono także zanieczyszczenia metalami, na przykład manganem, który towarzyszy żelazu w niektórych rudach, oraz cementytem - węglikiem żelaza Fe 3 C, powstałym w wyniku oddziaływania żelaza z węglem podczas jego redukcji z rudy. Jednak po przygotowaniu stali o dokładnie takim samym składzie ilościowym jak Damaszek, naukowcom nie udało się osiągnąć właściwości właściwych oryginałowi.

Analizując materiał, należy najpierw zwrócić uwagę na jego strukturę! Po rozpuszczeniu kawałka stali damasceńskiej w kwasie solnym niemieccy naukowcy odkryli, że zawarty w niej węgiel tworzy nie zwykłe płaskie płatki grafitu, ale węgiel nanorurki. Tak nazywa się cząstki otrzymywane przez skręcenie jednej lub kilku warstw grafitu w cylinder. Wewnątrz nanorurek znajdują się wnęki wypełnione cementytem ze stali damasceńskiej. Najcieńsze nici tej substancji łączą ze sobą poszczególne nanorurki, nadając materiałowi niezwykłą wytrzymałość, lepkość i elastyczność. Obecnie nauczyli się wytwarzać nanorurki węglowe w dużych ilościach, ale to, w jaki sposób średniowiecznym „technologom” udało się je uzyskać, wciąż pozostaje tajemnicą. Naukowcy sugerują, że tworzenie nanorurek z węgla, które przedostawały się do stali ze spalania drewna, było ułatwione przez pewne zanieczyszczenia i specjalny reżim temperaturowy z wielokrotnym ogrzewaniem i chłodzeniem produktu. To był właśnie sekret, który posiadali rzemieślnicy, utracony przez lata.

Jak widzimy, właściwości nanosubstancji i nanomateriałów znacznie różnią się od właściwości obiektów o tym samym składzie jakościowym i ilościowym, ale niezawierających nanocząstek.

W średniowieczu do tworzenia substancji, które dziś nazywamy nanomateriałami, podchodzino empirycznie, tj. poprzez wiele lat eksperymentów, z których wiele zakończyło się niepowodzeniem. Rzemieślnicy nie zastanawiali się nad znaczeniem wykonywanych czynności, nie mieli nawet podstawowej wiedzy o budowie tych substancji i materiałów. Obecnie tworzenie nanomateriałów stało się przedmiotem działalności naukowej. Termin „nanauka” zadomowił się już w języku naukowym. nanonauka), co oznacza dziedzinę badań cząstek o wielkości nanometrowej. Ponieważ z punktu widzenia fonetyki języka rosyjskiego nazwa ta nie jest zbyt udana, można użyć innej, również ogólnie przyjętej - „nanoskali” (angielski - nauka w nanoskali).

Nanonauka rozwija się na styku chemii, fizyki, inżynierii materiałowej i technologii komputerowej. Ma wiele zastosowań. Oczekuje się, że zastosowanie nanomateriałów w elektronice tysiąckrotnie zwiększy pojemność urządzeń pamięci masowej, a co za tym idzie, zmniejszy ich rozmiar. Udowodniono, że wprowadzenie do organizmu nanocząstek złota w połączeniu z naświetlaniem promieniami rentgenowskimi hamuje rozwój komórek nowotworowych. Co ciekawe, same nanocząsteczki złota nie mają działania leczniczego. Ich rola sprowadza się do pochłaniania promieniowania rentgenowskiego i kierowania go w stronę guza.

Lekarze czekają także na zakończenie badań klinicznych biosensorów do diagnozowania nowotworów. Nanocząstki są już wykorzystywane do dostarczania leków do tkanek organizmu i zwiększania efektywności wchłaniania słabo rozpuszczalnych leków. Zastosowanie nanocząsteczek srebra w foliach opakowaniowych może wydłużyć okres przydatności produktów do spożycia. Nanocząstki znajdują zastosowanie w nowych typach paneli słonecznych i ogniwach paliwowych – urządzeniach przetwarzających energię spalania paliwa na energię elektryczną. Ich zastosowanie umożliwi w przyszłości rezygnację ze spalania paliw węglowodorowych w elektrowniach cieplnych i silnikach spalinowych pojazdów – i to one w największym stopniu przyczyniają się do pogorszenia sytuacji ekologicznej na naszej planecie. W ten sposób nanocząstki służą tworzeniu materiałów przyjaznych dla środowiska i sposobom wytwarzania energii.

Zadania nanonauki sprowadzają się do badania właściwości mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, optycznych i chemicznych nanoobiektów – substancji i materiałów. Nanochemia jako jeden z elementów nanonauki zajmuje się rozwojem metod syntezy i badaniem właściwości chemicznych nanoobiektów. Jest ściśle powiązana z materiałoznawstwem, ponieważ nanoobiekty są częścią wielu materiałów. Bardzo ważne są medyczne zastosowania nanochemii, m.in. synteza substancji powiązanych z naturalnymi białkami czy nanokapsułkami służącymi do przenoszenia leków.

Podstawą rozwoju są osiągnięcia nanonauki nanotechnologia– procesy technologiczne wytwarzania i wykorzystania nanoobiektów. Nanotechnologia ma niewiele wspólnego z przykładami produkcji chemicznej omawianymi na szkolnych zajęciach z chemii. Nie ma w tym nic dziwnego – w końcu nanotechnologowie muszą manipulować obiektami o wielkości 1–100 nm, czyli tzw. mający wielkość pojedynczych dużych cząsteczek.

Istnieje ścisła definicja nanotechnologii*: jest to zestaw metod i technik stosowanych w badaniu, projektowaniu, wytwarzaniu i użytkowaniu struktur, urządzeń i systemów, obejmujący ukierunkowaną kontrolę i modyfikację kształtu, rozmiaru, integracji i interakcji ich elementów składowych w nanoskali (1–100 nm) w celu uzyskania obiektów o nowych właściwościach chemicznych, fizycznych i biologicznych. Kluczową w tej definicji jest część ostatnia, podkreślająca, że ​​głównym zadaniem nanotechnologii jest otrzymywanie obiektów o nowych właściwościach.

Efekt rozmiaru

Nanocząstki są powszechnie nazywane obiektami składającymi się z atomów, jonów lub cząsteczek i mającymi wielkość mniejszą niż 100 nm. Przykładem są cząstki metalu. Mówiliśmy już o nanocząsteczkach złota. A w fotografii czarno-białej, gdy światło pada na kliszę, bromek srebra ulega rozkładowi. Prowadzi to do pojawienia się cząstek metalicznego srebra składających się z kilkudziesięciu lub kilkuset atomów. Od czasów starożytnych wiadomo było, że woda w kontakcie ze srebrem może zabić bakterie chorobotwórcze. Uzdrawiającą moc takiej wody tłumaczy się zawartością w niej maleńkich cząstek srebra, są to nanocząsteczki! Cząstki te ze względu na swój niewielki rozmiar różnią się właściwościami zarówno od pojedynczych atomów, jak i od materiału sypkiego składającego się z wielu miliardów miliardów atomów, takiego jak sztabka srebra.

Wiadomo, że wiele właściwości fizycznych substancji, takich jak jej kolor, przewodność cieplna i elektryczna oraz temperatura topnienia, zależy od wielkości cząstek. Przykładowo temperatura topnienia nanocząstek złota o wielkości 5 nm jest o 250° niższa niż zwykłego złota (rys. 4). Wraz ze wzrostem wielkości nanocząstek złota wzrasta temperatura topnienia i osiąga wartość 1337 K, charakterystyczną dla materiału konwencjonalnego (inaczej zwanego fazą objętościową, czyli makrofazą).

Szkło nabiera koloru, jeśli zawiera cząsteczki, których wielkość jest porównywalna z długością fali światła widzialnego, czyli tj. mają rozmiar nano. To właśnie wyjaśnia jasne kolory średniowiecznych witraży, które zawierają nanocząsteczki metali lub ich tlenki o różnej wielkości. Natomiast przewodność elektryczną materiału określa średnia droga swobodna – odległość, jaką przebywa elektron między dwoma zderzeniami z atomami. Mierzy się go również w nanometrach. Jeżeli rozmiar nanocząstki metalu okaże się mniejszy od tej odległości, to należy spodziewać się, że materiał uzyska specjalne właściwości elektryczne, które nie są charakterystyczne dla zwykłego metalu.

Zatem nanoobiekty charakteryzują się nie tylko niewielkimi rozmiarami, ale także szczególnymi właściwościami, jakie wykazują, gdy stanowią integralną część materiału. Przykładowo, za barwę szkła „złotego rubinu” lub koloidalnego roztworu złota odpowiada nie jedna nanocząstka złota, ale ich zespół, tj. duża liczba cząstek znajdujących się w pewnej odległości od siebie.

Nazywa się pojedyncze nanocząstki zawierające nie więcej niż 1000 atomów nanoklastry. Właściwości takich cząstek znacznie różnią się od właściwości kryształu, który zawiera ogromną liczbę atomów. Wyjaśnia to specjalna rola powierzchni. Rzeczywiście, reakcje z udziałem ciał stałych zachodzą nie w masie, ale na powierzchni. Przykładem jest oddziaływanie cynku z kwasem solnym. Jeśli przyjrzysz się uważnie, zobaczysz, że na powierzchni cynku tworzą się pęcherzyki wodoru, a atomy znajdujące się w głębinach nie biorą udziału w reakcji. Atomy leżące na powierzchni mają więcej energii, ponieważ mają mniej sąsiadów w sieci krystalicznej. Stopniowe zmniejszanie się wielkości cząstek prowadzi do wzrostu całkowitego pola powierzchni, wzrostu proporcji atomów na powierzchni (ryc. 5) i wzrostu roli energii powierzchniowej. Jest on szczególnie duży w nanoklastrach, gdzie większość atomów zlokalizowana jest na powierzchni. Nic więc dziwnego, że np. nanozłoto jest wielokrotnie bardziej aktywne chemicznie niż konwencjonalne złoto. Przykładowo nanocząstki złota zawierające 55 atomów (średnica 1,4 nm) osadzone na powierzchni TiO 2 służą jako dobre katalizatory do selektywnego utleniania styrenu tlenem atmosferycznym do benzaldehydu ( Natura, 2008):

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

natomiast cząstki o średnicy większej niż 2 nm, a tym bardziej zwykłe złoto, w ogóle nie wykazują aktywności katalitycznej.

Aluminium jest stabilne w powietrzu, a nanocząsteczki aluminium są natychmiast utleniane przez tlen atmosferyczny, zamieniając się w tlenek Al 2 O 3. Badania wykazały, że nanocząstki aluminium o średnicy 80 nm w powietrzu porastają warstwą tlenku o grubości od 3 do 5 nm. Inny przykład: powszechnie wiadomo, że zwykłe srebro jest nierozpuszczalne w rozcieńczonych kwasach (z wyjątkiem kwasu azotowego). Jednak bardzo małe nanocząstki srebra (nie więcej niż 5 atomów) rozpuszczą się wraz z wydzieleniem wodoru nawet w słabych kwasach, takich jak kwas octowy; w tym celu wystarczy wytworzyć kwasowość roztworu o pH = 5 (patrz wykład nr 8). , zadanie 4).

Zależność właściwości fizykochemicznych nanocząstek od ich wielkości nazywa się efekt rozmiaru. Jest to jeden z najważniejszych efektów w nanochemii. Znalazł już teoretyczne wyjaśnienie z punktu widzenia nauki klasycznej, a mianowicie termodynamiki chemicznej. Zatem zależność temperatury topnienia od wielkości tłumaczy się faktem, że atomy wewnątrz nanocząstek podlegają dodatkowemu naciskowi powierzchniowemu, co zmienia ich energię Gibbsa (patrz wykład nr 8, zadanie 5). Analizując zależność energii Gibbsa od ciśnienia i temperatury, można łatwo wyprowadzić równanie odnoszące się do temperatury topnienia i promienia nanocząstek - nazywa się to równaniem Gibbsa-Thomsona:

Gdzie T pl ( R) – temperatura topnienia nanoobiektu o promieniu nanocząstki R, T pl () – temperatura topnienia metalu zwykłego (faza masowa), tv.-zh – napięcie powierzchniowe pomiędzy fazą ciekłą i stałą, H pl to ciepło właściwe topnienia, TV to gęstość ciała stałego.

Korzystając z tego równania, można oszacować, przy jakiej wielkości właściwości nanofazy zaczynają odbiegać od właściwości konwencjonalnego materiału. Jako kryterium przyjmujemy różnicę temperatur topnienia wynoszącą 1% (dla złota jest to około 14°C). W „Brief Chemical Reference Book” (autorzy: V.A. Rabinovich, Z.Ya. Khavin) znajdujemy dla złota: H pl = 12,55 kJ/mol = 63,71 J/g, tv = 19,3 g/cm3. W literaturze naukowej wartość napięcia powierzchniowego podawana jest jako sol = 0,55 N/m = 5,5–10–5 J/cm 2 . Rozwiążmy nierówność za pomocą tych danych:

Szacunek ten, choć dość przybliżony, dobrze koreluje z wartością 100 nm, którą zwykle stosuje się, gdy mówimy o maksymalnym rozmiarze nanocząstek. Oczywiście nie uwzględniliśmy tutaj zależności ciepła topnienia od temperatury i napięcia powierzchniowego od wielkości cząstek, a ten ostatni efekt może być dość znaczący, co potwierdzają wyniki badań naukowych.

Wiele innych przykładów efektu wielkości wraz z obliczeniami i wyjaśnieniami jakościowymi zostanie podanych w wykładach nr 7 i 8.

Klasyfikacja nanoobiektów

Istnieje wiele różnych sposobów klasyfikacji nanoobiektów. Według najprostszego z nich wszystkie nanoobiekty dzielą się na dwie duże klasy - stałe („zewnętrzne”) i porowate („wewnętrzne”) (schemat).

Schemat

Klasyfikacja nanoobiektów
(z wykładu prof. B.V. Romanovsky'ego)

Obiekty stałe klasyfikuje się według wielkości: 1) wolumetryczne struktury trójwymiarowe (3D), nazywane są nanoklastrami ( grupa– nagromadzenie, pęczek); 2) płaskie obiekty dwuwymiarowe (2D) – nanofilmy; 3) liniowe struktury jednowymiarowe (1D) – nanofilamenty, czyli nanodruty (nanodruty); 4) obiekty zerowymiarowe (0D) – nanokropki, czyli kropki kwantowe. Do struktur porowatych zalicza się nanorurki (patrz wykład 4) oraz materiały nanoporowate, np. krzemiany amorficzne (patrz wykład nr 8, zadanie 2).

Oczywiście ta klasyfikacja, jak każda inna, nie jest wyczerpująca. Nie obejmuje dość ważnej klasy nanocząstek – agregatów molekularnych otrzymywanych metodami chemii supramolekularnej. Przyjrzymy się temu w następnym wykładzie.

Niektóre z najaktywniej badanych struktur to nanoklastry– składają się z atomów metali lub stosunkowo prostych cząsteczek. Ponieważ właściwości klastrów w dużej mierze zależą od ich wielkości (efekt wielkości), opracowano dla nich własną klasyfikację - według wielkości (tabela).

Tabela

Klasyfikacja nanoklastrów metali ze względu na wielkość
(z wykładu prof. B.V. Romanovsky'ego)

Liczba atomów w nanoklastrze	Średnica, nm	Udział atomów na powierzchni,%	Liczba warstw wewnętrznych	Typ klastra
1	0,24 – 0,34	100	0	–
2	0,45 – 0,60	100	0	–
3 – 12	0,55 – 0,80	100	0	Mały
13 – 100	0,8 – 2,0	92 – 63	1 – 3	Przeciętny
10 2 – 10 4	2 – 10	63 – 15	4 – 18	Duży
10 4 – 10 5	10 – 30	15 – 2	> 18	Ogromny
> 10 6	> 30	< 2	dużo	Koloidalny cząstka

Okazało się, że kształt nanoklastrów w istotny sposób zależy od ich wielkości, zwłaszcza przy małej liczbie atomów. Wyniki badań eksperymentalnych, połączone z obliczeniami teoretycznymi, wykazały, że nanoklastry złota zawierające 13 i 14 atomów mają strukturę płaską, w przypadku 16 atomów mają strukturę trójwymiarową, a w przypadku 20 tworzą twarz- wyśrodkowana komórka sześcienna, przypominająca strukturę zwykłego złota. Wydawałoby się, że przy dalszym wzroście liczby atomów struktura ta powinna zostać zachowana. Jednak tak nie jest. Cząstka złożona z 24 atomów złota w fazie gazowej ma nietypowy wydłużony kształt (ryc. 6). Stosując metody chemiczne, można do klastrów przyłączać z powierzchni inne cząsteczki, które potrafią organizować je w bardziej złożone struktury. Stwierdzono, że nanocząstki złota połączone z fragmentami cząsteczek polistyrenu [–CH 2 –CH(C 6 H 5)–] N lub tlenek polietylenu (–CH 2 CH 2 O–) N uwolnione do wody łączą swoje fragmenty polistyrenu w cylindryczne agregaty przypominające cząstki koloidalne – micele, z których część osiąga długość 1000 nm. Naukowcy sugerują, że takie obiekty można wykorzystać jako leki i katalizatory na raka.

Jako substancje przenoszące nanocząstki złota do roztworu stosuje się także naturalne polimery – żelatynę czy agar-agar. Działając na nie kwasem chlorozłotowym lub jego solą, a następnie środkiem redukującym, otrzymuje się nanoproszki rozpuszczalne w wodzie, tworząc jaskrawoczerwone roztwory zawierające cząstki złota koloidalnego. (Więcej informacji na temat budowy i właściwości nanoklastrów metali można znaleźć w wykładzie nr 7, zadania 1 i 4.)

Co ciekawe, nanoklastry występują nawet w zwykłej wodzie. Są to aglomeraty pojedynczych cząsteczek wody połączonych ze sobą wiązaniami wodorowymi. Szacuje się, że w nasyconej parze wodnej w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym na 10 milionów pojedynczych cząsteczek wody przypada 10 000 dimerów (H 2 O) 2, 10 trimerów cyklicznych (H 2 O) 3 i jeden tetramer (H 2 O) 4 . W wodzie ciekłej znaleziono także cząstki o znacznie większej masie cząsteczkowej, powstałe z kilkudziesięciu, a nawet setek cząsteczek wody. Niektóre z nich występują w kilku modyfikacjach izomerycznych, różniących się kształtem i kolejnością łączenia poszczególnych cząsteczek. Szczególnie dużo klastrów występuje w wodzie o niskich temperaturach, w pobliżu temperatury topnienia. Woda ta charakteryzuje się szczególnymi właściwościami – ma większą gęstość w porównaniu do lodu i jest lepiej wchłaniana przez rośliny. To kolejny przykład na to, że o właściwościach substancji decyduje nie tylko jej skład jakościowy czy ilościowy, czyli tzw. wzór chemiczny, ale także jego struktura, także na poziomie nano.

Spośród innych nanoobiektów najpełniej zbadano nanorurki. Tak nazywa się długie cylindryczne struktury o wymiarach kilku nanometrów. Nanorurki węglowe odkryli po raz pierwszy w 1951 roku sowieccy fizycy L.V. Radushkevich i V.M. Lukyanovich, ale ich publikacja, która ukazała się rok później w krajowym czasopiśmie naukowym, pozostała niezauważona. Zainteresowanie nimi wzrosło ponownie po pracach zagranicznych badaczy w latach 90. XX wieku. Nanorurki węglowe są sto razy mocniejsze od stali, a wiele z nich dobrze przewodzi ciepło i prąd. Wspominaliśmy już o nich, mówiąc o ostrzach damasceńskich. Więcej o nanorurkach węglowych dowiesz się z wykładu nr 4.

Ostatnio naukowcom udało się zsyntetyzować nanorurki azotku boru, a także niektórych metali, np. złota (ryc. 7, patrz str. 14). Pod względem wytrzymałości są znacznie gorsze od węglowych, ale dzięki znacznie większej średnicy są w stanie pomieścić nawet stosunkowo duże cząsteczki. Aby uzyskać złote nanorurki, nie jest wymagane ogrzewanie – wszystkie operacje przeprowadza się w temperaturze pokojowej. Koloidalny roztwór złota o wielkości cząstek 14 nm przepuszcza się przez kolumnę wypełnioną porowatym tlenkiem glinu. W tym przypadku klastry złota utkną w porach obecnych w strukturze tlenku glinu, łącząc się ze sobą w nanorurki. Aby uwolnić powstałe nanorurki od tlenku glinu, proszek poddaje się działaniu kwasu – tlenek glinu rozpuszcza się, a na dnie naczynia osiadają złote nanorurki, przypominające glony na mikrofotografii.

Przykładem jednowymiarowych nanoobiektów są nanonitki, Lub nanodruty– tak nazywa się rozszerzone nanostruktury o przekroju mniejszym niż 10 nm. Przy tym rzędzie wielkości obiekt zaczyna wykazywać szczególne, kwantowe właściwości. Porównajmy nanodrut miedziany o długości 10 cm i średnicy 3,6 nm z tym samym drutem, ale o średnicy 0,5 mm. Wymiary zwykłego drutu są wielokrotnie większe niż odległości między atomami, dlatego elektrony poruszają się swobodnie we wszystkich kierunkach. W nanodrucie elektrony mogą swobodnie poruszać się tylko w jednym kierunku – wzdłuż drutu, ale nie w poprzek niego, ponieważ jego średnica jest tylko kilka razy większa niż odległość między atomami. Fizycy twierdzą, że w nanodrucie elektrony są zlokalizowane w kierunkach poprzecznych i delokalizowane w kierunkach podłużnych.

Znane są nanodruty metali (nikiel, złoto, miedź) i półprzewodników (krzem), dielektryków (tlenek krzemu). Powolnie oddziałując w specjalnych warunkach pary krzemu z tlenem, można otrzymać nanodruty tlenku krzemu, na których zwisają kuliste formacje krzemionki przypominające wiśnie. Rozmiar takiej „jagody” wynosi zaledwie 20 mikronów (µm). Nanodruty molekularne wyróżniają się nieco od siebie, czego przykładem jest cząsteczka DNA, strażnik informacji dziedzicznej. Niewielka liczba nieorganicznych nanodrutów molekularnych to siarczki lub selenki molibdenu. Fragment struktury jednego z tych związków pokazano na ryc. 8. Ze względu na dostępność D-elektrony w atomach molibdenu i nakładanie się częściowo wypełnionych D-orbitale, substancja ta przewodzi prąd elektryczny.

Badania nad nanodrutami wciąż trwają na poziomie laboratoryjnym. Jednak już teraz wiadomo, że będzie na nie popyt przy tworzeniu nowych generacji komputerów. Nanodruty półprzewodnikowe, podobnie jak konwencjonalne półprzewodniki, mogą być domieszkowane** wg R- Lub N-typ. Do tworzenia wykorzystano już nanodruty–P N-

przejścia o niezwykle małym rozmiarze. W ten sposób stopniowo powstają podwaliny pod rozwój nanoelektroniki.

Wysoka wytrzymałość nanowłókien umożliwia wzmacnianie nimi różnych materiałów, w tym polimerów, w celu zwiększenia ich sztywności. Natomiast zastąpienie tradycyjnej anody węglowej w akumulatorach litowo-jonowych anodą stalową pokrytą nanofilamentami krzemowymi umożliwiło zwiększenie wydajności tego źródła prądu o rząd wielkości. Przykładem dwuwymiarowych nanoobiektów są nanofilmy

. Ze względu na bardzo małą grubość (tylko jedna lub dwie cząsteczki) przepuszczają światło i są niewidoczne dla oka. Nanopowłoki polimerowe wykonane z polistyrenu i innych polimerów niezawodnie chronią wiele przedmiotów używanych w życiu codziennym - ekrany komputerów, szyby telefonów komórkowych, soczewki okularów. Pojedyncze nanokryształy półprzewodników (na przykład siarczek cynku ZnS lub selenek kadmu CdSe) o wielkości do 10–50 nm nazywane są kropki kwantowe

Świat nanostruktur stworzonych już przez naukowców jest bardzo bogaty i różnorodny. Można w nim znaleźć analogie prawie wszystkich makroobiektów naszego zwykłego świata. Ma własną florę i faunę, własne księżycowe krajobrazy i labirynty, chaos i porządek. Duży zbiór różnych obrazów nanostruktur jest dostępny na stronie internetowej www.nanometer.ru. Czy to wszystko ma praktyczne zastosowanie? Oczywiście że nie. Nanonauka jest wciąż bardzo młoda – ma dopiero około 20 lat! I jak każdy młody organizm rozwija się bardzo szybko i dopiero zaczyna być przydatny. Jak dotąd tylko niewielka część osiągnięć nanonauki została sprowadzona do poziomu nanotechnologii, ale odsetek wdrożeń cały czas rośnie, a za kilka dekad nasi potomkowie będą zakłopotani – jak moglibyśmy istnieć bez nanotechnologii!

pytania

1. Co nazywa się nanonauką? Nanotechnologia?

2. Skomentuj wyrażenie „każda substancja ma nanopoziom”.

3. Opisz miejsce nanochemii w nanonauce.

4. Korzystając z informacji podanych w tekście wykładu, oszacuj liczbę atomów złota w 1 m 3 i 1 nm 3.

Odpowiedź. 5,9 10 28 ; 59.

5. Jeden z twórców nanonauki, amerykański fizyk R. Feynman, mówiąc o teoretycznej możliwości mechanicznego manipulowania pojedynczymi atomami, już w 1959 roku wypowiedział zdanie, które stało się sławne: „Tam na dole jest dużo miejsca”. („Na dole jest dużo miejsca”). Jak rozumiesz wypowiedź naukowca?

6. Jaka jest różnica między fizycznymi i chemicznymi metodami wytwarzania nanocząstek?

7. Wyjaśnij znaczenie pojęć: „nanocząstka”, „klaster”, „nanorurka”, „nanodrut”, „nanofilm”, „nanoproszek”, „kropka kwantowa”.

8. Wyjaśnij znaczenie pojęcia „efekt wielkości”. Jakimi właściwościami się objawia?

9. Nanoproszek miedzi w przeciwieństwie do drutu miedzianego szybko rozpuszcza się w kwasie jodowodorowym. Jak to wyjaśnić?

10. Dlaczego barwa roztworów koloidalnych złota zawierających nanocząsteczki różni się od barwy zwykłego metalu?

11. Sferyczna nanocząstka złota ma promień 1,5 nm, promień atomu złota wynosi 0,15 nm. Oszacuj, ile atomów złota znajduje się w nanocząstce.

Odpowiedź. 1000.

12. Do jakiego typu gromady należy cząstka Au 55?

13. Jakie inne produkty oprócz benzaldehydu mogą powstać podczas utleniania styrenu tlenem atmosferycznym?

14. Jakie są podobieństwa i różnice między wodą otrzymaną w wyniku stopienia lodu a wodą powstałą w wyniku kondensacji pary wodnej?

15. Podaj przykłady nanoobiektów o wymiarze 3; 2; 1; 0.

Literatura

Nanotechnologia. ABC dla każdego. wyd. akad. Yu.D. Tretyakova. M.: Fizmatlit, 2008; Siergiejew G.B. Nanochemia. M.: Uniwersytet Book House, 2006; Ratner M., Ratner D. Nanotechnologia. Proste wyjaśnienie kolejnego genialnego pomysłu. M.: Williams, 2007; Rybalkina M. Nanotechnologia dla każdego. M., 2005; Menshutina N.V.. Wprowadzenie do nanotechnologii. Kaługa: Wydawnictwo literatury naukowej Bochkareva N.F., 2006; Lalayants I.E. Nanochemia. Chemia (Wydawnictwo Pervoe Wrzesień), 2002, nr 46, s. 2002. 1; Rakov E.G. Chemia i nanotechnologia: dwa punkty widzenia. Chemia (Wydawnictwo Pervoe Wrzesień), 2004, nr 36, s. 2004-2004. 29.

Zasoby internetowe

www.nanometr.ru – strona informacyjna poświęcona nanotechnologii;

www.nauka.name – portal popularnonaukowy;

www.nanojournal.ru – rosyjski elektroniczny „Nanojournal”.

* Oficjalnie przyjęte przez rosyjską korporację państwową Rusnanotech.

**Doping polega na wprowadzeniu niewielkich ilości zanieczyszczeń, które zmieniają strukturę elektronową materiału. – Notatka wyd.

Kiedy „nanonauka” pojawiła się jako dziedzina wiedzy teoretycznej? Czy istnieją nanostruktury organiczne - nie syntetyzowane, ale stworzone przez naturę? W jaki sposób modele matematyczne opisujące nanostruktury można wykorzystać do oddziaływania na żywą komórkę? Jakie są „magiczne liczby” nanostruktur? Chemicy Igor Mielichow i Wiktor Bozhevolnov rozmawiają o tym, gdzie leży granica między światem fizycznym a nanoświatem.

Uczestnicy:

Igor Władimirowicz Mielichow- Członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, profesor Wydziału Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Łomonosow

Wiktor Jewgienijewicz Bozhevolnov- Kandydat nauk chemicznych, pracownik naukowy na Wydziale Chemii Uniwersytetu Moskiewskiego. Łomonosow

Przegląd tematu

Nanosystemy są zwykle rozumiane jako zbiór ciał otoczonych ośrodkiem gazowym lub ciekłym, którego wielkość mieści się w przedziale 0,1–100 nm. Samo słowo pochodzi z języka greckiego. nanos- "krasnolud". Takimi ciałami mogą być klastry i cząsteczki wieloatomowe, nanokropelki i nanokryształy. Są to formy pośrednie między atomami a ciałami makroskopowymi, co sprawia, że ​​badanie nanoukładów jest ważne.

Osobliwością nanociał, czyli ultramałych ciał, jest to, że ich rozmiar jest współmierny do promienia działania sił oddziaływania międzyatomowego, to znaczy odległości, na jaką muszą zostać oddalone atomy ciała, aby ich oddziaływanie nie wpływa w zauważalnym stopniu na jego właściwości. Dzięki tej właściwości nanociała oddziałują ze sobą i z otoczeniem inaczej niż makrociała. Specyfika interakcji jest na tyle duża, że ​​uformowano specjalny kierunek badań naukowych poświęcony badaniu nanoukładów, który można nazwać chemią fizyczną nanoukładów lub w skrócie nanochemią.

Ważne jest, aby masa nanocząstek była na tyle mała, aby każda cząstka mogła uczestniczyć w ruchu termicznym jako pojedyncza całość. Ta ostatnia okoliczność łączy wszystkie ich odmiany i ma fundamentalne znaczenie, gdyż zapewnia możliwość samodzielnego składania nanocząstek w odpowiednie nanostruktury metodą prób i błędów, a ostatecznie znalezienia optimów termodynamicznych.

Granice nanoprzedziału w chemii są dowolne. Właściwości ciała są w różnym stopniu wrażliwe na jego wielkość. Niektóre właściwości tracą swoją specyficzność przy rozmiarach większych niż 10 nm, inne - większych niż 100 nm. Aby zatem wykluczyć z rozważań mniejszą liczbę właściwości, należy przyjąć górną granicę nanoprzedziału równą 100 nm. Tym samym poszerzają się granice samych nanosubstancji i otwiera się większe pole do badań i dalszych uogólnień.

Nanostruktury występują naturalnie w przyrodzie i przede wszystkim interesujące są przykłady powstawania nanosubstancji w ciałach białkowych. Najważniejsze reakcje biologiczne zachodzące w żywej komórce zachodzą w nanostrukturach białek. Przykładem jest kompleks pigmentowo-białkowy centrum reakcji fotosyntezy, w którym sześć cząsteczek natury chlorofilu jest osadzonych w matrycy białkowej z powtarzalną precyzją do dziesiątych części angstremów. Pigmenty te realizują proces zamiany energii słonecznej na wydzieloną energię ładunku ze 100% wydajnością kwantową dzięki niezwykle szybkiemu transferowi elektronów pomiędzy pigmentami. Taka skuteczność nie jest znana nawet w fizyce. Czas przejścia elektronów pomiędzy pigmentami wyznaczany jest eksperymentalnie, co daje wartość mniejszą niż 20 femtosekund. Eksperymentalnie wyznacza się także ruch podukładu jądrowego z odpowiednimi częstotliwościami, który tworzy konfigurację jądrową niezbędną do przenoszenia elektronów i stabilizacji oddzielonych ładunków. Połączenie tych danych z analizą dyfrakcji promieni rentgenowskich pozwala ustalić mechanizmy molekularne i ścieżki przenoszenia elektronów pomiędzy pigmentami w takiej nanostrukturze.

Kolejny przykład nanostruktur występujących naturalnie w przyrodzie pochodzi z zakresu mineralogii. Tym samym badanie próbek gleby księżycowej, która przez około 4,5 miliarda lat poddawana była bombardowaniu protonami przez wiatr słoneczny, wykazało szereg, zwykle nieodwracalnych, procesów, jakie w niej zachodziły. Tam tlenki, z których zwykle składają się wszystkie skały, zostały zredukowane do głębokości odwrotnie proporcjonalnej do energii wiązania metal-tlen. Im łatwiej to wiązanie zostało zerwane, tym na większej głębokości regolit ulegał procesom redukcji, czasami aż do stanu zerowej wartościowości. Na maksymalnej głębokości zredukowano żelazo, na płytszej – chrom, a jeszcze bliżej powierzchni – krzem, mangan, magnez itp. – wszystkie 12 głównych pierwiastków skałotwórczych. Ale miało też miejsce inne istotne wydarzenie: na powierzchni kryształów zachodził proces amorfizacji, czyli ulegały one po prostu zniszczeniu i, jak wykazały badania przeprowadzone w Instytucie Złóż Rud, uległy zniszczeniu do nanostanu.

Nanostruktury biologiczne można izolować, oczyszczać, krystalizować i badać przy użyciu całego arsenału metod fizycznych i chemicznych, w tym NMR, ESR, spektroskopii optycznej, ultrafioletowej, w podczerwieni z najwyższą rozdzielczością czasową - około 15 femtosekund. Badaniom eksperymentalnym tych nanostruktur towarzyszą obliczenia kwantowo-fizyczne dynamiki molekularnej i oddziaływań elektronowych. Jednocześnie wszystko, co wiadomo o nanostrukturach biologicznych i ich strukturze, można wykorzystać w syntezie modeli chemicznych niezbędnych w nanotechnologii.

Jednocześnie, aby uniknąć nadmiernych uogólnień, należy pamiętać, że istnieje zasadnicza różnica pomiędzy kondensacją nanocząstek pochodzenia biologicznego w nadbudówki biologiczne a powstawaniem nanoagregatów atomowych lub zwykłych molekularnych. Kształt, budowa chemiczna i topografia powierzchni biologicznych nanobloków (białek, kwasów nukleinowych) z reguły bardzo ściśle określają wielkość i kształt nadbudówek biologicznych powstałych w wyniku samoorganizacji, zwłaszcza jeśli, że tak powiem, zachodzi, na żywo. W świecie nieorganicznym te czynniki determinujące są znacznie mniej wyraźne. Mogą tu wystąpić znaczne wahania i bardzo szerokie rozkłady wielkości.

Chemia fizyczna nanosystemów rozwinęła się kiedyś w ramach fizyki i chemii. Obecnie jest to stosunkowo młoda dziedzina nauki, która rozwija się bardzo szybko. Ilościową cechą jego postępu może być tempo wzrostu liczby publikacji w literaturze naukowej. Ponieważ często nie da się określić, w jakim stopniu publikacja odnosi się konkretnie do nanoskali i odnosi się do chemii ogólnej, czy konkretnie do nanochemii, trudno jest dokładnie określić ich liczbę, ale można dokonać szacunków. Jak można stwierdzić na podstawie wstępnych danych, fizykochemia nanoukładów rozwijała się bez większych skoków, a łączna liczba publikacji do końca ubiegłego wieku osiągnęła 2,5–3 miliony, przy czym główne publikacje światowe datowane są oczywiście na lata 90-te. . W pierwszej połowie stulecia największy wkład w nanochemię wnieśli specjaliści badający koloidy i aerozole, a w drugiej połowie - polimery, białka, związki naturalne, fulereny i tubuleny.

Jeśli chodzi o nanofizykę, istnieją w niej dwa różne obszary. Jeden polega na tworzeniu proszków z nanocząstek lub polikryształów z krystalitami o wielkości nanometrów. Inny obszar kojarzony jest ze słowem „mesoskopowy” – coś pomiędzy „mikro” a „makro”. W tym przypadku mówimy o właściwościach poszczególnych cząstek wielkości nanometrów. Czasami nazywane są sztucznymi atomami, ponieważ podobnie jak atomy mają dyskretne widmo emisyjne.

Można powiedzieć, że prawdziwy rozkwit w fizyce nastąpił, kiedy nauczyli się wytwarzać takie cząstki z metali, przewodników, półprzewodników, nadprzewodników, a co najważniejsze, nauczyli się włączać taką cząstkę do obwodu elektrycznego, czyli przepuszczać tylko prąd przez to. Zjawisko to, podobnie jak zjawisko blokady Coulomba, zostało teoretycznie przewidziane w Charkowskim Instytucie Fizyki i Technologii Niskich Temperatur, a następnie zjawisko to zostało eksperymentalnie odkryte na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym. M. V. Łomonosow. Wykazano, że jeśli choć jeden elektron dostanie się do nanocząstki metalu, to ze względu na małą pojemność odpowiadająca mu energia kulombowska znacznie przekroczy temperaturę. W rezultacie następuje „blokada” prądu elektrycznego.

Teraz, w oparciu o tzw. „blokadę Coulomba”, stworzono już tranzystor jednoelektronowy. Jest to ostateczna miniaturyzacja, ponieważ działa na jednym (!) elektronie. Tranzystor ten działa od kilku lat i z powodzeniem jest stosowany jako urządzenie pomiarowe w fizyce. Wiąże się z tym gigantyczny postęp w wrażliwości. Zastosowanie nanocząstek z nadprzewodników umożliwia wykonanie tzw. kubitów (kwantowych bitów informacji), które staną się głównym elementem komputerów kwantowych.

Jest zatem oczywiste, że nanotechnologia rozprzestrzenia się obecnie niezwykle szeroko w różnych obszarach nauk przyrodniczych. Tutaj możemy wyróżnić kilka głównych kierunków, ale wybór ten będzie dość dowolny, ponieważ obszary te często przecinają się ze sobą i, co najważniejsze, opierają się na podobnych technikach. Do głównych obszarów badań należą:

Synteza fulerenów i struktur fulerenopodobnych. Badanie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego metali.

Ruchliwość atomów klastrów (przede wszystkim bada się temperatury topnienia i zamarzania klastrów, które są niższe niż w przypadku ciał stałych, bada się specyficzne stany ciało stałe-ciecz klastrów itp.).

Reakcje nanoklastrowe (badania dotyczą głównie rozpylania klasterowego i cech reakcji fotochemicznych klastrów).

Badanie kropek kwantowych (badania klastrów półprzewodnikowych, ich właściwości optycznych, diod LED o regulowanej długości fali promieniowania).

Badanie właściwości magnetycznych, pomiar zmian momentu magnetycznego na atom podczas przejścia od magnetyzmu zbiorowego ciała stałego do struktury powłokowej gromady.

Obecnie chemia fizyczna nanoukładów wkroczyła w nowy etap rozwoju, który można nazwać etapem wizualizacji atomów i nanocząstek wraz z obserwacją ich interakcji na miejscu. Opracowano metody mikroskopii polowej jonowej, elektronowej, sił atomowych i tunelowej, które umożliwiły obserwację zachowania pojedynczego atomu i stanu pojedynczego nanociała. Czułość metod spektralnych została obecnie doprowadzona do poziomu, na którym możliwy jest pomiar fluorescencji i luminescencji pojedynczej cząsteczki oraz ocena struktury cząsteczek składających się z 50 lub więcej atomów na podstawie widm w podczerwieni. Obserwacje poszczególnych atomów i nanociał stały się dostępne dla szerokiego grona badaczy. Choć obecnie uważa się, że uzyskanie wiarygodnego obrazu pojedynczego atomu czy cząsteczki jest wielkim osiągnięciem naukowym, przestało być ono unikatem. Przykładowo w raporcie z 2000 roku w czasopiśmie Nature (praca T. Fishlock i in.) stwierdzono, że istnieje możliwość obserwacji pojedynczych atomów bromu na powierzchni monokryształu miedzi i za pomocą specjalnych nanomanipulatorów przesunięcia jednego z atomów, niemal bez poruszania pozostałych, uznano za sensację naukową. Za ważne, choć zwyczajne wydarzenie uważa się publikacje z 2002 roku dotyczące wizualizacji i ruchu cząsteczek DNA za pomocą nanomanipulatorów. Najwyraźniej nanochemia stoi przed możliwością „składania” nanociał z atomów za pomocą nanomanipulatorów i identyfikowania, jak zmieniają się właściwości nanociał natychmiast w momencie oderwania atomu lub jego przyłączenia z wizualizacją pośrednich etapów procesu.

Obecnie chemia fizyczna nanoukładów nosi wszelkie znamiona samodzielnej gałęzi nauki: własny zakres obiektów badawczych, teorię, eksperyment (metodologię poszukiwań) i zakres zastosowania wyników.

Specjalną gałąź chemii fizycznej nanoukładów można nazwać dziedziną dość praktyczną - tworzeniem zorganizowanych filmów nanometrowych, głównie tzw. jednowarstwowych (!) filmów Langmuira-Blodgetta. Takie filmy uzyskuje się do tworzenia układów z kontrolowanym tunelowaniem i w tym celu wykorzystuje się kompleksy molekularne jako podstawę filmów jednoelektronowych. Trwają prace nad stworzeniem nanowarstw Langmuira-Blodgetta zawierających kwasy nukleinowe, co ma szczególne znaczenie przy tworzeniu układu testowego do immobilizacji DNA. Czyli mówiąc krótko i zwięźle, nanochemia w swojej dziedzinie organicznej jest pierwszym krokiem, podstawą modelowania i programowania ciał białkowych.

Obiekty badań nanochemicznych- substancje ultradrobne otrzymywane przez kondensację pary i wytrącanie z roztworów; aerozole i roztwory koloidalne, substancje naturalne składające się z cząsteczek wieloatomowych; produkty polimeryzacji, drobnego mielenia ciał stałych lub intensywnej atomizacji cieczy; bryły blokowe, w których granice bloków są tak wyraźne, że same bloki można uznać za kwazicząstki; glinki i zawiesiny morskie; osady denne itp.

Teoria nanosystemów opracowuje metody obliczania zachowania nanociał w oparciu o „pierwsze zasady”. Podstawą rozważań jest równanie ewolucyjne dla funkcji φ (X i, t) rozkładu nanociał (nanocząstek) według parametrów X i, ich stanu, które uwzględnia takie wskaźniki jak tempo ewolucji nanosystemu, zbiór szybkości zmian kierunku i współczynników fluktuacji parametrów stanu X i w chwili t. W tym przypadku zbiór parametrów stanu Xi obejmuje współrzędne przestrzenne i prędkości, masę, charakterystykę składu, kształt i strukturę każdej nanocząstki, stosując zasady zachowania.

Szybkości kierunkowych zmian parametrów stanu i współczynników fluktuacji przedstawiono jako funkcję parametrów stanu ξ i środowiska wokół nanocząstek. W odniesieniu do współrzędnych przestrzennych i prędkości ruchu nanocząstek funkcje te przedstawiają się jako prawa ruchu w mechanice klasycznej. W odniesieniu do charakterystyki masy i kształtu funkcje te wyrażają się poprzez częstotliwości przyłączania i odrywania atomów od nanocząstek. Częstotliwości oblicza się zwykle przy założeniu, że atomy poruszają się zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej przy pewnym potencjale oddziaływań międzyatomowych. Przy obliczaniu składu i struktury nanocząstek przyjmuje się, że jądra atomów nanocząstek poruszają się zgodnie z prawami mechaniki klasycznej (z poprawkami mechaniki kwantowej) w ośrodku elektronowo-jądrowym opisanym równaniem Schrödingera. Założenie to otwiera możliwość zidentyfikowania związku pomiędzy potencjałem oddziaływań międzyatomowych a charakterystyką elektronowo-jądrową atomów i późniejszym przejściem do obliczania tempa ewolucji od „pierwszych zasad”. Do takich obliczeń jeszcze daleko, ale teoria nanosystemów szybko się rozwija.

Eksperyment zidentyfikowali setki wzorców zachowania nanosystemów. Przyjrzyjmy się dwóm z nich, naszym zdaniem najczęściej spotykanym.

1. Większość nanosystemów naturalnych i stworzonych przez człowieka jest daleka od równowagi, a ich stan stale się zmienia w miarę zbliżania się do równowagi.

Nanosystemy powstają dwoma drogami: kondensacją i dyspersją. W pierwszym przypadku ciała wyjściowe odparowuje się lub rozpuszcza, po czym powstałe pary skrapla się i z roztworu wytrąca się ultradrobną substancję. W drugim przypadku do ciał wyjściowych doprowadzana jest energia mechaniczna w ilości wystarczającej do ich rozpadu na nanocząstki. Realizacja obu dróg wymaga intensywnego dopływu energii do pierwotnego układu, tak aby natychmiast po pojawieniu się nanocząstek układ został wytrącony ze stanu równowagi. Gdy tylko przepływ energii ustanie, układ ewoluuje w kierunku równowagi.

Najprostszym przykładem ewolucji układu jest kondensacyjna droga przemiany monokryształu składającego się z identycznych atomów i znajdującego się w zamkniętej objętości jego pary nasyconej. Jeśli taki monokryształ ogrzeje się do temperatury topnienia i późniejszego odparowania stopu, a następnie powstałą parę gwałtownie ochłodzi się do początkowej temperatury układu, to w miarę ochładzania nanocząstki zarodkują się i stają się większe w układzie. Są one łączone w uporządkowane agregaty. Granice pomiędzy nanocząsteczkami w agregatach zanikają, a one zamieniają się w mikrokryształy. Kiedy mikrokryształy są przechowywane przez długi czas w parze, najmniejsze i najbardziej wadliwe wyparowują, podczas gdy większe i doskonalsze nadal rosną. I tak dalej, aż do odtworzenia w systemie oryginalnego monokryształu. Przez cały okres czasu od chwili, gdy w parze zgromadziła się już zauważalna ilość nanocząstek, do momentu, gdy większość nanocząstek osiągnie wielkość 100 nm, układ znajduje się w stanie nanostanu. Wtedy nieuchronnie dochodzi do stanu równowagi, pojawianie się nanocząstek ustanie, a ponadto powstałe cząstki mogą również wejść w fazę rozkładu, jeśli nie zostaną stworzone sztuczne warunki do ich konserwacji.

Podczas dyspersyjnej drogi przemian monokryształu w warunkach wystarczającego, stałego dopływu energii mechanicznej, wielkość fragmentów, na które rozpada się monokryształ, zmniejsza się do czasu, aż procesy prowadzące do zniszczenia fragmentów zostaną zrekompensowane przez ich agregację i stopienie .

Jeżeli dopływ energii mechanicznej jest tak duży, że przy takiej kompensacji większość fragmentów ma rozmiar nanometrowy, wówczas układ pozostaje w stacjonarnym nanostanie do czasu zmniejszenia dopływu energii. Kiedy napływ ustanie, fragmenty zaczną rosnąć razem i stają się większe. Trwa to do momentu odtworzenia w systemie oryginalnego monokryształu. Drogi kondensacji i spegacji układów okazują się bardziej złożone, jeśli w układzie zachodzą reakcje chemiczne.

2. Drugi schemat istnienia i powstawania nanosystemów, ujawniony w szeregu eksperymentów, można sformułować w skrócie, chociaż jest to bardzo ważne odkrycie: nanosystemy są zmienne. Oznacza to, że nanociał jednocześnie obecne w układzie mają różne właściwości, a „rozrzut” właściwości jest duży i w dużej mierze determinuje zachowanie układu.

Nanocząstki charakteryzują się nierówną wielkością, kształtem i szybkością ruchu przestrzennego, co objawia się np. ruchem Browna. Skład chemiczny nanocząstek jest również zmienny ze względu na sorpcję różnej ilości średnich cząsteczek. Główną przyczyną zmienności jest ruch termiczny, ale fluktuacje termiczne są zsynchronizowane w wyniku współdziałania atomów. Stopień synchronizacji wzrasta wraz z ukierunkowanym dostarczaniem substancji i energii do układu. Jeśli układ nie jest w równowadze, to każda właściwość nanocząstek zmienia się jak ruch ciała w strumieniu płynu: jest unoszona przez przepływ podczas przypadkowych spacerów po trajektorii ruchu skierowanego. W tym przypadku prędkość zmiany kierunku każdej właściwości charakteryzuje się wartością G i, a intensywność błądzenia - wartością Di. W odniesieniu do przestrzennego ruchu nanocząstek wartość G i odpowiada prędkości dryfu ośrodka, a wartość D i odpowiada współczynnikowi dyfuzji Browna. W odniesieniu do masy nanocząstek wartość G i jest zbliżona do średniej szybkości ich powiększania, a wartość Di charakteryzuje fluktuacje częstotliwości przyłączania cząsteczek ośrodka do nanocząstek. Nie ma zbyt wielu danych na temat wartości G i oraz D i, ale dostępne informacje wskazują, że wartości D i są dość duże.

Częstotliwość przyłączania się atomów (cząsteczek) ośrodka do nanocząstki o uporządkowanej strukturze zależy niemonotonicznie od liczby atomów wchodzących w jej skład. Zmniejsza się gwałtownie, gdy liczba atomów w cząstce staje się równa jednej z „liczb magicznych”, których zbiór zależy od struktury cząstki. W przypadku klastrów o ikozaedrycznym układzie atomów „liczby magiczne” odpowiadają liczbie atomów w kolejnych sferach koordynacyjnych wokół atomu centralnego. W nanokryształach fasetowanych prawdopodobieństwo połączenia atomu jest znacznie zmniejszone, jeśli liczba atomów, które wcześniej się połączyły, okaże się wystarczająca do utworzenia na ich powierzchniach monowarstwy, ponadto w okresach wzrostu klastrów prawdopodobieństwo dołączenia nowych atomów do nanokryształu jest duża, a w okresach pomiędzy powstawaniem warstw mała, dlatego „liczby magiczne n i odpowiadają liczbie atomów w nanokrysztale w momentach t i zarodkowania dwuwymiarowych klastrów. Cząsteczki peptydów utworzone na matrycy DNA. częstotliwość dodawania nowych aminokwasów spada do zera, gdy liczba atomów i cząsteczek peptydu przestaje spełniać wymagania DNA.

Wzorce te sprawiają, że badanie nanosystemów jest zadaniem niezwykle wymagającym dużej wiedzy. Zmienność nanoukładów wymusza pomiary parametrów stanu zbioru nanocząstek, a ich ewolucyjny charakter powoduje konieczność monitorowania zmian właściwości tego zbioru w czasie. W tym przypadku konieczne jest wyznaczenie wielowymiarowej funkcji φ (X i, t) w szerokim zakresie właściwości ośrodka. Nic dziwnego, że prawie wszystkie nanosystemy badano we fragmentach, a fragmenty nie zostały połączone w pełny obraz ich zachowania. Niemniej jednak w ramach nanochemii rozwiązano tysiące stosowanych problemów.

Stosowana chemia fizyczna nanoukładów obejmuje:

Opracowanie podstaw teoretycznych zastosowania nanosystemów w inżynierii i nanotechnologii, metod przewidywania ewolucji konkretnych nanosystemów w warunkach ich stosowania, a także poszukiwanie optymalnych metod działania;

Tworzenie teoretycznych modeli zachowania nanosystemów podczas syntezy nanomateriałów i poszukiwanie optymalnych warunków ich wytwarzania;

Badanie nanosystemów biologicznych i tworzenie metod wykorzystania nanosystemów do celów leczniczych;

Opracowanie modeli teoretycznych powstawania i migracji nanocząstek w środowisku oraz metod oczyszczania wód naturalnych lub powietrza z nanocząstek.

Z wymienionych obszarów nanochemii stosowanej drugi jest obecnie najbardziej rozwinięty, co wydaje się naturalne, ponieważ w tym obszarze zainteresowania czysto naukowe i problemy czysto teoretyczne mieszczą się w obszarze interesów czysto praktycznych, a nawet ekonomicznych. Choć jest jeszcze za wcześnie, aby stwierdzić, że w tej dziedzinie zrobiono wszystko, co można było zrobić na tym etapie rozwoju nauki. Przykładem jest dziedzina metalurgii, gdzie obecnie trwają prace nad syntezą nowych nanomateriałów i rozwojem nowych nanotechnologii. Efektywność tworzenia i wykorzystania nanomateriałów jest oczywista. Zatem wytrzymałość metalu o nanostrukturze jest 1,5–2 razy, a w niektórych przypadkach 3 razy większa niż wytrzymałość konwencjonalnego metalu. Jego twardość jest 50–70 razy większa, a odporność na korozję 10–12 razy większa. Wiadomo, że budowa metalu ma ogromny wpływ na jego właściwości: im drobniejsze ziarno, tym większa powierzchnia oddziaływania pomiędzy składnikami fazowymi struktury, co jest podstawą poprawy jego właściwości. Średnia wielkość ziaren metalu wynosi obecnie 5–7 mikronów, w praktyce zwykle nie osiąga się jeszcze nanorozmiarów. Do otrzymania metali o nanostrukturach potrzebne są specjalne metody technologiczne, które są obecnie aktywnie rozwijane, ale wciąż są zbyt skomplikowane, aby można je było stosować na szeroką skalę. Technologie te idą w dwóch głównych kierunkach. Pierwsza to utworzenie tzw. nanoproszków, z których następnie wytwarzany jest pożądany nanomateriał. Inną metodę szlifowania pierwotnej struktury można nazwać deformacją: w wyniku powtarzającego się głębokiego odkształcenia metalu osiąga się odpowiedni poziom struktury i odpowiednio właściwości.

Technologie te są obecnie szeroko rozwijane w USA i Japonii, a częściowo w Chinach i Korei, więc to właśnie w tych krajach nauka osiągnęła prawdopodobnie najbardziej optymalne rozwiązanie niektórych zagadnień i problemów. W naszym kraju wykonano dotychczas dopiero pierwszy krok w tym kierunku: utworzono Radę Naukową Rosyjskiej Akademii Nauk ds. nanomateriałów. Jednak jak dotąd niewiele zrobiono i z żalem odnotowujemy, że Rosja nie znalazła się jeszcze w gronie dwudziestu krajów aktywnie rozwijających nanotechnologie.

Kiedy pojawia się sformułowanie „nanostruktury”, mamy na myśli przede wszystkim nowe rodzaje metali i kryształów, których powstanie otwiera drogę nowej „nanoelektronice” opartej na jednej z najbardziej niesamowitych właściwości nanokryształów – ich braku defektów. Jednak nanochemia dotyczy obecnie innego obszaru nauki, bliższego biologii. W praktyce kierunek ten wykorzystywany jest przy opracowywaniu zupełnie nowych technologii terapeutycznych.

Jako przykład rozwoju w trzecim kierunku możemy przedstawić ideę tworzenia nanosystemów przeciwnowotworowych bezpośrednio w tkance nowotworowej. Doświadczenia laboratoryjne wykazały, że po wprowadzeniu do ciała polimerowego odczynników, podczas oddziaływania którego powstają nanocząstki getytu lub hydroksyapatytu. wówczas można tak zorganizować wprowadzanie odczynników, że nanocząstki utworzone w objętości korpusu nie mają prawie żadnego wpływu na strukturę polimeru. Jeśli jednak po utworzeniu nanocząstek na ciało przyłoży się pole akustyczne, wówczas nagrzeje się ono do 43°C w czasie, w którym ciało bez nanocząstek prawie nie zmieni temperatury. Sugerowało to, że jeśli znajdziemy substancje, których nanocząsteczki mogą tworzyć się w komórkach nowotworowych ze znacznie większym prawdopodobieństwem niż w zdrowej tkance, wówczas komórki nowotworowe będą mogły zostać selektywnie podgrzane i „zabite”. I takie substancje znaleziono. Interesujące wyniki uzyskano odnośnie wpływu jednego z nich (teroftalu) na rozwój nowotworu u myszy. Stało się oczywiste, że same nanocząsteczki teroftalowe nie wpływają na rozwój nowotworu, a pole akustyczne tylko w niewielkim stopniu spowalnia jego wzrost. Ale jeśli pole zostanie zastosowane po utworzeniu nanocząstek teroftalowych. w ciągu zaledwie 10 minut objętość guza zmniejsza się o 80% w ciągu tygodnia. Fakty te podkreślają obietnicę badania ewolucji nanosystemów w środowiskach biologicznych.

Nanoświat żyje według tych samych praw, niezależnie od tego, jaki obszar jego istnienia zajmiemy. Dlatego nanosystemy w chemii okazują się bliskie nanostrukturom biologicznym. Główne kompleksy biologiczne i molekularne oraz enzymy mają rozmiary rzędu 5–50 nm, co jest również typowe dla nanoukładów chemicznych. Jednak w przeciwieństwie do chemii i geologii, biologia zna wysoce zorganizowane struktury nanokompleksów, które z dużą wydajnością warunkują przebieg wielu setek procesów biologicznych w żywej komórce. Nanostruktury biologiczne zawierają nośniki białkowe (rybosomy zawierają także cząsteczki RNA) o charakterystycznej strukturze drugorzędowej, trzeciorzędowej i czwartorzędowej. W zależności od pełnionej funkcji, w struktury te inkrustowane są różne kofaktory wchodzące w skład centrów aktywnych. Położenie wszystkich atomów w tych nanoukładach jest na tyle powtarzalne, że w przypadku ich trójwymiarowych kryształów analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich pokazuje położenie każdego atomu (a może być ich 10 tysięcy lub więcej) z dokładnością do dziesiątych części angstrema .

Nowe metody badawcze, które umożliwiły wizualizację zarówno samych nanocząstek, jak i ich wzajemnych oddziaływań, sprawiły, że chemia fizyczna nanoukładów stała się modną nauką. Ale jego atrakcyjność nie jest związana z przypadkowymi okolicznościami, ale jest z góry określona przez logikę rozwoju nauki. Taka logika nieuchronnie prowadzi do tego, że badania nad nanosystemami stają się niezwykle wymagające wiedzy i kosztowne. Wiele krajów uruchomiło specjalne programy krajowe, zapewniając im odpowiednie środki finansowe.

Dziś chemia fizyczna nanoukładów jest harmonijnie rozwijającą się dziedziną nauki, w której teoria i eksperyment łączą się z systematycznym przepływem informacji naukowej do obszarów stosowanych. Właściwie obecnie rozwój nanotechnologii oraz rozwój metod tworzenia i badania nanosubstancji można nazwać jedną z najważniejszych dziedzin nauki XXI wieku. Jak powiedział 30 lat temu słynny fizyk Feynman, penetracja nanoświata to niekończąca się droga człowieka, na której praktycznie nie ograniczają go materiały, a podąża jedynie za własnym rozumem. Rzeczywiście, obecnie odkrycia nanomaterii i jej właściwości mają miejsce w różnych dziedzinach - chemii, fizyce, biologii. Na przykład ustalono eksperymentalnie, że woda oczyszczana za pomocą wyładowań elektrycznych zyskuje właściwości bakteriobójcze. Ich charakter nie był jasny, ponieważ skład chemiczny wody nie uległ zmianie. Potem jednak odkryto, że w wyniku erozji elektrod w wodzie pozostają nanocząstki, co w dużym stopniu wpływa na jej właściwości.

Jednak najważniejsze odkrycie nanoświata niewątpliwie dotyczy takiej dziedziny jak mikroelektronika. Obecnie trwają w szczególności prace nad stworzeniem nanostruktur z wykorzystaniem wiązek jonów. Przy wystarczającej ilości energii i zaopatrzeniu metalu w wolne protony można uzyskać struktury rzędu kilkudziesięciu nanometrów. W takiej skali dielektryk przekształca się w metal, a krystalizacja zachodzi bardzo szybko. Następnie powstają wielowarstwowe nanostruktury, które staną się podstawą układów elektronicznych przyszłości. A jeśli dyski magnetyczne niosą obecnie setki gigabajtów informacji, to przy pomocy nowych technologii będą mierzyć zawartą na nich informację w setkach terabajtów.

W Rosji problematyką nanochemii zajmuje się wielu wybitnych naukowców, w tym znaczna część członków Wydziału Chemii i Nauk o Materiałach Rosyjskiej Akademii Nauk. Większość z nich nie posiada jednak systematycznego dostępu do przyrządów, bez których współczesna diagnostyka nanosystemów nie jest możliwa. Dzięki wysiłkom naukowców O. M. Nefedova i V. A. Kabanowa wniesiono znaczący wkład w chemię fizyczną nanosystemów podczas realizacji Federalnego Docelowego Programu Naukowo-Technicznego „Badania i rozwój w priorytetowych obszarach rozwoju nauki i technologii do celów cywilnych ”w latach 1999–2001. Ważne wydaje się wdrażanie programów akademickich prowadzonych przez akademików M.V. Alfimova i N.P. Lyakisheva, a także szeregu innych specjalistycznych projektów.

Bibliografia

Ivanovsky A. L., Shveikin G. P. Chemia kwantowa w materiałoznawstwie. Jekaterynburg, 1997

Melichow I.V. Elementarne akty krystalizacji w ośrodkach o wysokim przesyceniu // Wiadomości Rosyjskiej Akademii Nauk. Ser. chemia 1994. Nr 10

Melichow I.V. Niektóre kierunki rozwoju idei nauk technicznych//Teoretyczne. podstawy chemii technologie. 1998. T.32. nr 4

Melikhov I.V. Wzory krystalizacji z tworzeniem nanodyspersyjnych faz stałych // Materiały nieorganiczne. 2000. T.36. nr 3

Melikhov I.V.Trendy rozwoju nanochemii//Ros. chemia czasopismo. T.46. Nr 5

Nanotechnologia w najbliższej dekadzie / wyd. M. K. Roko. M., 2002

Nikolaev A. L., Raevsky P. M. Terapia sonodynamiczna nowotworów złośliwych//Ros. chemia czasopismo. 1998. T.42. Nr 5

Petrov Yu. I. Gromady i małe cząstki. M., 1986

Uvarov N. F. Boldyrev V. V. Efekty wielkości w chemii układów heterogenicznych // Postępy w chemii. 2001. T. 70. nr 4

Klastry atomów i cząsteczek//Seria Springera na temat chemii. Fizyka. 1994. V. 52

Podręcznik materiałów nanostrakturowych i nanotechnologii / wyd. przez H. S. Nalwę. NY, 1994. V. 1–5

Biomateryzacja magnetytu i magnetorecepcja w organizmach: nowy biomagnetyzm / wyd. przez J. L. Kirschvinka, D. S. Jonesa, J. B. Macfaddena. Nowy Jork, 1985

Dla pojęcia nanotechnologii nie ma być może wyczerpującej definicji, ale poprzez analogię do obecnie istniejących mikrotechnologii wynika, że ​​nanotechnologie to technologie, które operują wielkościami rzędu nanometra. Zatem przejście od „mikro” do „nano” jest jakościowym przejściem od manipulacji materią do manipulacji pojedynczymi atomami. Mówiąc o rozwoju nanotechnologii mamy na myśli trzy kierunki: produkcję obwodów elektronicznych (w tym wolumetrycznych) z elementami aktywnymi o wymiarach porównywalnych z cząsteczkami i atomami; rozwój i produkcja nanomaszyn; manipulacja pojedynczymi atomami i cząsteczkami oraz składanie z nich makroobiektów. Rozwój w tych obszarach następuje już od dłuższego czasu. W 1981 roku stworzono mikroskop tunelowy umożliwiający przeniesienie pojedynczych atomów. Efekt tunelowy jest zjawiskiem kwantowym polegającym na przenikaniu mikrocząstki z jednego klasycznie dostępnego obszaru ruchu do drugiego, oddzielonego od pierwszego barierą potencjału. Podstawą wynalezionego mikroskopu jest bardzo ostra igła, przesuwająca się po badanej powierzchni ze szczeliną mniejszą niż jeden nanometr. W tym przypadku elektrony z końcówki igły tunelują przez tę szczelinę do podłoża.

Jednak oprócz badań powierzchni stworzenie nowego typu mikroskopów otworzyło całkowicie nową drogę tworzenia elementów o rozmiarach nanometrowych. Uzyskano unikalne wyniki dotyczące ruchu atomów, ich usuwania i osadzania w danym punkcie, a także lokalnej stymulacji procesów chemicznych. Od tego czasu technologia została znacznie udoskonalona. Dziś osiągnięcia te wykorzystywane są w życiu codziennym: produkcja jakichkolwiek dysków laserowych, a tym bardziej produkcja płyt DVD, nie jest możliwa bez zastosowania nanotechnicznych metod kontroli.

Nanochemia to synteza nanodyspersyjnych substancji i materiałów, regulacja przemian chemicznych ciał o rozmiarach nanometrowych, zapobieganie chemicznej degradacji nanostruktur, metody leczenia chorób za pomocą nanokryształów.

Poniżej przedstawiono obszary badań w nanochemii:

• - rozwój metod składania dużych cząsteczek z atomów za pomocą nanomanipulatorów;
• - badanie wewnątrzcząsteczkowych przegrupowań atomów pod wpływem czynników mechanicznych, elektrycznych i magnetycznych. Synteza nanostruktur w przepływach płynów nadkrytycznych; opracowanie metod ukierunkowanego montażu z utworzeniem nanostruktur fraktalnych, ramowych, rurowych i kolumnowych.
• - rozwój teorii ewolucji fizykochemicznej substancji i nanostruktur ultradyspersyjnych; tworzenie sposobów zapobiegania chemicznej degradacji nanostruktur.
• - pozyskiwanie nowych nanokatalizatorów dla przemysłu chemicznego i petrochemicznego; badanie mechanizmu reakcji katalitycznych na nanokryształach.
• - badanie mechanizmów nanokrystalizacji w ośrodkach porowatych w polach akustycznych; synteza nanostruktur w tkankach biologicznych; rozwój metod leczenia chorób poprzez tworzenie nanostruktur w tkankach objętych patologią.
• - badanie zjawiska samoorganizacji w grupach nanokryształów; poszukiwać nowych sposobów przedłużenia stabilizacji nanostruktur za pomocą modyfikatorów chemicznych.
• - Oczekiwanym efektem będzie funkcjonalny asortyment maszyn zapewniający:
• - metodologia badania przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych pod wpływem lokalnych wpływów na cząsteczki.
• - nowe katalizatory dla przemysłu chemicznego i praktyki laboratoryjnej;
• - nanokatalizatory tlenkowo-ziemnicze i wanadowe o szerokim spektrum działania.
• - metodologia zapobiegania degradacji chemicznej nanostruktur technicznych;
• - metody przewidywania degradacji chemicznej.
• - nanomedyki lecznicze i chirurgiczne, preparaty na bazie hydroksyapatytu dla stomatologii;
• - sposób leczenia chorób onkologicznych poprzez wykonanie nanokrystalizacji wewnątrzguzowej i zastosowanie pola akustycznego.
• - metody tworzenia nanostruktur poprzez ukierunkowaną agregację nanokryształów;
• - techniki regulacji przestrzennej organizacji nanostruktur.
• - nowe czujniki chemiczne z ultradyspersyjną fazą aktywną; metody zwiększania czułości czujników poprzez modyfikację chemiczną.