Нанохимия - Гордон бағдарламасының мұрағаты. Нанохимияның негізгі бағыттары мен тұжырымдамалары Нанохимия және нанотехнология

Нанохимия – нанобөлшектердің химиялық түрленуінің қасиеттерін, құрылымын және сипаттамаларын зерттейтін химия саласы. Нанохимияның айрықша белгісі өлшемдік әсердің болуы – бөлшектегі атомдар немесе молекулалар санының өзгеруімен физикалық-химиялық қасиеттері мен реактивтілігінің сапалық өзгеруі. Әдетте, бұл әсер 10 нм-ден кіші бөлшектер үшін байқалады, бірақ бұл мән шартты мәнге ие.

Нанохимиядағы зерттеу бағыттары

Наноманипуляторларды қолдану арқылы атомдардан үлкен молекулаларды құрастыру әдістерін әзірлеу; механикалық, электрлік және магниттік әсерлер кезінде атомдардың молекулаішілік қайта құрылуын зерттеу.

суперкритикалық сұйықтық ағындарында наноқұрылымдарды синтездеу; нанокристалдарды бағытталған жинақтау әдістерін әзірлеу.

Өте жұқа заттар мен наноқұрылымдардың физикалық және химиялық эволюциясының теориясын жасау; наноқұрылымдардың химиялық деградациясының алдын алу жолдарын құру.

Химия және мұнай-химия өнеркәсібі үшін жаңа катализаторлар алу; нанокристалдардағы каталитикалық реакциялардың механизмін зерттеу.

Акустикалық өрістердегі кеуекті орталарда нанокристалдану механизмдерін зерттеу; биологиялық тіндердегі наноқұрылымдардың синтезі.

Нанокристалдар топтарындағы өзіндік ұйымдасу құбылысын зерттеу; химиялық модификаторлар арқылы наноқұрылымдарды тұрақтандыруды ұзартудың жаңа жолдарын іздеу.

Зерттеудің мақсаты мыналарды қамтамасыз ететін машиналардың функционалды спектрін жасау болып табылады:

Химия өнеркәсібі және зертханалық тәжірибе үшін жаңа катализаторлар.

Техникалық наноқұрылымдардың химиялық деградациясының алдын алу әдістемесі; химиялық деградацияны болжау әдістері.

Жаңа препараттарды алу.

Ісікішілік нанокристалдану және акустикалық өрісті қолдану арқылы онкологиялық ауруларды емдеу әдісі.

Жаңа химиялық сенсорлар; датчиктердің сезімталдығын арттыру әдістері.

Энергетика және химия өнеркәсібіндегі нанотехнологиялар

Нанотехнология (грекше nanos – «ергежейлі» + «техно» - өнер, + «logos» - оқыту, ұғым) инновациялық әдістермен айналысатын (теориялық негіздеу, эксперименттік әдістер салаларында) іргелі және қолданбалы ғылым мен техниканың пәнаралық саласы. зерттеу, талдау және синтездеу, сондай-ақ жаңа өндірістер саласында) қажетті қасиеттері бар жаңа материалдарды алу. Нанотехнология жалғыз атомдарды немесе молекулаларды (қозғалыс, ауыстыру, жаңа комбинациялар) манипуляциялау үшін ең жаңа технологияларды пайдаланады. Нанообъектілердің берілген атомдық және молекулалық құрылымын жасанды түрде ұйымдастыру үшін әртүрлі әдістер (механикалық, химиялық, электрохимиялық, электрлік, биохимиялық, электронды сәулелік, лазерлік) қолданылады.

Энергетикадағы нанотехнологиялар

Энергетика және машина жасау саласындағы нанотехнологиялар

Бұл салада НТ дамуы екі бағытта жүреді:

1- құрылымдық материалдарды жасау,

2- беттік наноинженерия

Құрылыс материалдарын жасау,

Ультра дисперсті (немесе нанодисперсті) элементтерді қосу арқылы түбегейлі жаңа құрылымдық материалдарды жасау үшін біз келесі жолмен жүрдік. Біріншісі - қоспалар ретінде ультра жұқа элементтерді қосу. Машина жасау және энергетикадағы құрылымдық материалдар үшін фуллерендер экзотикалық, өте қымбат.Екінші бағыт термопластикалық, термиялық немесе пластикалық деформация арқылы жүзеге асырылатын болаттар мен қорытпалардағы металл емес қосындылардың ультра жұқа жүйелерін (УДС) құру. Металлургтердің пікірінше, іс жүзінде таусылған легірлеуші ​​компоненттерді енгізу арқылы ғана емес, сонымен қатар кез келген сипаттағы деформация арқылы құрылымдық материалдардың өнімділік қасиеттерін бақылауға болатыны анықталды. Мұндай әсер ету кезінде металл емес қосындылардың ұсақталуы орын алады. Дәстүрлі күйдіру және шынықтыру металлургиядағы нанотехнологиялардан басқа ештеңе емес.

Осындай әсерлердің нәтижесінде болаттарды (Прометейдегі азотты болаттар) алуға болады, оларда жоғары беріктігі икемділікпен үйлеседі, яғни дәл сол қасиеттерді энергетикалық секторда, машина жасауда жетіспейтін материалдар алуға болады. қалаған сипаттамалары бар. Ал нанотехнология мұндай материалдарды сәтті алуға мүмкіндік береді.

Жақсы жұмысыңызды білім қорына жіберу оңай. Төмендегі пішінді пайдаланыңыз

Білім қорын оқу мен жұмыста пайдаланатын студенттер, аспиранттар, жас ғалымдар сізге шексіз алғысын білдіреді.

Жарияланды http://www.allbest.ru/

РЕСЕЙ ФЕДЕРАЦИЯСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Федералдық мемлекеттік жоғары оқу орны

«И.И. атындағы Магнитогорск мемлекеттік техникалық университеті. Г.И. Носов»

Физикалық химия және химиялық технология кафедрасы

«Химия және химиялық технология тарихы» пәні бойынша

нанохимия» тақырыбы бойынша

Орындаушы: Перевалова Ксения Олеговна, 2 курс студенті, zTXB-15.1 тобы

Жетекшісі: Понурко Ирина Витальевна, доцент, техника ғылымдарының кандидаты, доцент

Магнитогорск, 2017 ж

Кіріспе

2. Наноғылымның негізгі түсініктері

Қорытынды

Пайдаланылған көздер тізімі

Кіріспе

Адамзаттың даму тарихында жаңа материалдар мен технологиялардың дамуымен байланысты бірнеше маңызды тарихи кезеңдері бар.

Бүгінгі таңда ғылым жеке атомдар мен молекулаларға тікелей әсер ету мүмкіндігіне жақындады, бұл дамудың принципті жаңа тенденциясын тудырды, ол нанотехнологияның жалпы атауын алды. Нанодеңгейде басқарылатын параметрлері мен көрсетілген қасиеттері бар құрылымдар мен объектілерді құру және зерттеу қазіргі заманның маңызды технологиялық мәселелерінің бірі болып табылады. Бұл іргелі шектеулерге жақын наноқұрылымдық күйдегі материалдардың бірегей қасиеттерімен, алдын ала белгіленген бағдарламаланатын қасиеттері бар «интеллектуалды» материалдарды жасау мүмкіндігімен, материалдарды өңдеудің және олардың бетін өзгертудің жаңа технологияларының дамуымен, жалпы тенденциямен байланысты. өнімдерді миниатюризациялау, түбегейлі жаңа объектілерді, құрылғыларды және тіпті жаңа өндірістерді құру.

Нанотехнологиялар жеке атомдар мен молекулалар деңгейінде затпен операцияларға негізделген біртұтас технологиялық мәдениетке біріктірілген ғылыми, технологиялық және өндірістік салалардың кең ауқымын білдіреді. Бұл жай ғана жаңа технологиялар туралы емес, ақпараттық ортаны, денсаулық сақтауды, экономиканы және әлеуметтік саланы қоса алғанда, өнеркәсіптің барлық сегменттерін және адам қызметінің салаларын өзгертетін процестер туралы.

Нанотехнологияларды енгізу инженерлік білім берудің жаңа тәсілдерін құруды, жаңа идеяларға бейімделуді талап етеді.

Бұл зерттеуде нанотехнологияның негізгі аспектілері қарастырылады.

1. Наноғылымның қалыптасу тарихы

Қазіргі заманғы нанотехнологиялардың тарихы әлемнің көптеген елдері ғалымдарының көп ғасырлық зерттеу жұмыстарымен байланысты және өзінің ұзақ тарихи ізі бар. Ең маңызды кезеңдерді қарастырайық.

1661 Лондон корольдік қоғамының негізін қалаушылардың бірі ирланд физигі және химигі Р.Бойл өзінің «Скептик химик» атты еңбегінде ең кішкентай бөлшектердің – кластерлердің («корпускулалар») әлеуетті маңыздылығын көрсетті.

Аристотельдің төрт іргелі қағидадан (жер, от, су және ауа) тұратын материяға деген көзқарасын сынай отырып, автор барлық материалдық объектілер айтарлықтай тұрақты және әртүрлі комбинацияда әртүрлі заттар мен заттарды түзетін ультра ұсақ денелерден тұрады деген ұсыныс жасады.

Кейіннен Демокрит пен Бойлдың идеяларын ғылыми қауым қабылдады.

1857 Электромагниттік өріс теориясының негізін қалаушы ағылшын физигі М.Фарадей алғаш рет алтынның тұрақты коллоидты ерітінділерін (процесс барысында бір-бірінен тәуелсіз және еркін қозғалатын дисперсті фазаның ең кішкентай бөлшектері бар сұйық жүйелер) алды. броун қозғалысы). Кейіннен наножүйелерді қалыптастыру үшін коллоидтық ерітінділер кеңінен қолданыла бастады.

1861 Ағылшын химигі Т.Грэм заттардың құрылымының дисперсия дәрежесіне қарай коллоидты (аморфты) және кристаллоидты (кристалды) болып бөлінуін енгізді.

Нанотехнологияны алғаш рет қолданудың мысалы ретінде 1883 жылы американдық өнертапқыш Д.Истманның, әйгілі Kodak компаниясының негізін қалаушының мөлдір серпімді негізде тұндырылған күміс галогенді эмульсия болып табылатын орам пленкасын ойлап тапқанын айтуға болады. (мысалы, целлюлоза ацетатынан), ол жарық әсерінен ыдырайтын таза күмістің нанобөлшектерін құрайды, олар кескін пикселдері болып табылады.

1900 жылы неміс физигі М.Планк әрекет кванты (Планк тұрақтысы) ұғымын енгізді - кванттық теорияның бастапқы нүктесі, оның ережелері наножүйелердің мінез-құлқын сипаттауда өте маңызды.

1905 ж. Өлшемдерді нанометрмен алғаш қолданған ғалым қант молекуласының өлшемі бір нанометр (10 -9 м) болатынын теориялық тұрғыдан дәлелдеген атақты физик А.Эйнштейн болып саналады.

1924 Француз физигі Луи де Бройль материяның толқындық қасиеттері туралы идеяны алға тартты, осылайша микробөлшектердің қозғалысын зерттейтін кванттық механиканың негізін қалады. Кванттық механиканың заңдары наноөлшемді құрылымдарды құру кезінде әсіресе өзекті.

1931 ж. Неміс физиктері М.Нолл мен Э.Руска нанообъектілер әлемін қарауға мүмкіндік беретін жаңа буын құрылғыларының прототипі болған электронды трансмиссиялық микроскопты жасады.

1939 жылы Siemens бірінші өнеркәсіптік электронды микроскопты ? 10 нм.

1959 жылы американдық физик, Нобель сыйлығының лауреаты Р.Фейнман Калифорния технологиялық институтында «Төменгі жағында орын көп» деген атақты лекциясында материяның құрылымын атомдық деңгейде басқару идеясын білдірді: « Атом деңгейіндегі құрылымдарды реттеуді және басқаруды үйрену арқылы біз мүлдем күтпеген қасиеттері бар материалдарды аламыз және мүлдем ерекше әсерлерді ашамыз.

Атом деңгейінде манипуляциялық әдістерді дамыту көптеген мәселелерді шешеді ». Бұл дәріс белгілі бір мағынада нанозерттеулерді бастау алаңына айналды. Р.Фейнманның фантастикалық болып көрінген көптеген көрегендік идеялары (электрондық сәулемен ені бірнеше атомды гравировкалау туралы, жаңа шағын құрылымдарды құру үшін жеке атомдарды басқару туралы, нанометрлік масштабта электр тізбектерін құру туралы, наноқұрылымдарды пайдалану туралы биологиялық жүйелер), бүгінде іске асырылуда.

1966 Ұлттық стандарттар бюросында жұмыс істеген американдық физик Р. Янг пьезоқозғалтқышты ойлап тапты, ол бүгінде наноқұралдың дәл орналасуы үшін зонд микроскоптарын сканерлеуде қолданылады.

1968 Американдық Bell компаниясының ғылыми бөлімшесінің қызметкерлері А.Чо мен Д.Артур беттік наномашинаждың теориялық негіздерін әзірледі.

1971 Bell және IBM компаниялары «практикалық» нанотехнология дәуірінің басталуын белгілеген бір атомды қалыңдықтағы алғашқы жартылай өткізгіш пленкаларды - кванттық ұңғымаларды алды.

Р.Янг зондтық микроскоптың прототипі болған Topografiner құрылғысының идеясын ұсынды.

1974 «Нанотехнология» терминін алғаш рет жапон физигі Н.Танигучи «Нанотехнологияның негізгі концепциясы туралы» баяндамасында осы саладағы ауқымды жұмыстардың басталуынан көп бұрын халықаралық конференцияда ұсынды. Термин нанометрлік дәлдікпен материалдарды ультра жұқа өңдеуді сипаттау үшін қолданылды. «Нанотехнология» термині өлшемі бір микрометрден аз механизмдерге қатысты ұсынылды.

1981 жылы IBM (International Business Machines Corporation) қызметкерлері неміс физиктері Г.Биннинг пен Г.Рорер сканерлеуші ​​туннельдік микроскопты (1986 ж. Нобель сыйлығы) құрды – бұл құрылымның үш өлшемді бейнесін алуға ғана емес, мүмкіндік беретін бірінші құрылғы. электр өткізгіш материалдан жеке атомдардың өлшем ретін шешумен, сонымен қатар затқа атомдық деңгейде әсер ету үшін, яғни. атомдарды манипуляциялау, демек, олардан кез келген затты тікелей жинау.

1985 Г.Крото (Англия), Р.Керл, Р.Смолли (АҚШ) бар ғалымдар тобы табиғатта көміртектің жаңа аллотропиялық түрі – фуллеренді ашты және оның қасиеттерін зерттеді (Нобель сыйлығы 1996 ж.). Сфералық жоғары симметриялы көміртегі молекулаларының болу мүмкіндігін 1970 жылы жапон ғалымдары Э.Осава мен З.Иошильда болжаған.

1973 жылы орыс ғалымдары Д.А.Бохвар мен Э.Г.Гальперн мұндай молекулалардың тұрақтылығын теориялық кванттық химиялық есептеулер арқылы дәлелдеді.

1986 Сканерлеуші ​​атомдық күшті микроскоп жасалды (авторлары - Г. Биннинг, К. Куатт, К. Гербер, IBM қызметкерлері, 1992 ж. Нобель сыйлығы), бұл сканерлеуші ​​туннельдік микроскоптан айырмашылығы атомды зерттеуге мүмкіндік берді. тек өткізгіш емес, сонымен қатар кез келген материалдардың құрылымы, оның ішінде органикалық молекулалар, биологиялық объектілер және т.б.

Нанотехнология көпшілікке белгілі болды. Бұрынғы жетістіктерді қамтитын негізгі жүйе тұжырымдамасы американдық футуролог, Массачусетс технологиялық институтының жасанды интеллект зертханасының қызметкері Э.Дрекслердің «Жаратылыс қозғалтқыштары: нанотехнологияның келе жатқан дәуірі» кітабында айтылған. Автор нанотехнологиялардың белсенді дамуы мен практикалық қолданылуын болжаған. Көптеген онжылдықтарға есептелген бұл болжам уақыт бойынша айтарлықтай алға жылжу арқылы кезең-кезеңімен ақталады.

1987 Бірінші бір электронды транзисторды американдық физиктер Т.Футон және Г.Долан (Bell Labs) жасады.

Француз физигі Дж.М. Лен нанообъектілерді жобалауда негізгі болған «өзін-өзі ұйымдастыру» және «өзін-өзі құрастыру» ұғымдарын енгізді.

1988-1989 жж А.Фер мен П.Грюнберг бастаған екі тәуелсіз ғалымдар тобы алып магниттік кедергі (GMR) құбылысын ашты - айнымалы ферромагниттік және магниттік емес қабаттардың жұқа қабықшаларында байқалатын кванттық механикалық әсер, ол айтарлықтай төмендеуімен көрінеді. сыртқы магнит өрісі болған кездегі электр кедергісі. Бұл әсерді пайдалану атомдық ақпарат тығыздығы бар қатты дискілерге деректерді жазуға мүмкіндік береді (Нобель сыйлығы 2007).

1989 Нанотехнологияның алғашқы практикалық жетістігі көрсетілді: IBM компаниясы шығарған сканерлеуші ​​туннельдік микроскопты қолдану арқылы американдық зерттеушілер Д.Эйглер,

Э.Швейтцер 35 ксенон атомынан никель монокристалының бетінде дәйекті түрде жылжыту арқылы компания логотипінің үш әрпін («IBM») орналастырды.

1990 жылы В.Кречмер бастаған ғалымдар тобы (Германия) және

Д.Хаффман (АҚШ) фуллерендер синтезінің тиімді технологиясын құрды, бұл олардың қасиеттерін қарқынды зерттеуге және оларды қолданудың перспективалық бағыттарын анықтауға ықпал етті.

1991 Жапон физигі С.Иидзима көміртектің жаңа түрін ашты

жергілікті кластерлер - бірегей қасиеттердің тұтас кешенін көрсететін және материалтану мен электроникадағы революциялық өзгерістерге негіз болатын көміртекті нанотүтіктер.

Жапонияда атомдар мен молекулаларды манипуляциялау техникасын әзірлеуге арналған мемлекеттік бағдарлама – «Атом технологиясы» жобасы басталды.

1993 ж. АҚШ-та алғашқы нанотехнологиялық зертхана ұйымдастырылды.

1994 Өздігінен ұйымдастырылған кванттық нүктелерге негізделген лазердің алғашқы көрсетілімі (Д. Бимберг, Германия).

1998 Голланд физигі С.Деккер нанотүтіктер негізіндегі алғашқы нанотранзисторды жасады.

Жапония ғарышта жұмыс істей алатын наноэлектроника жасау үшін Astroboy бағдарламасын іске қосты.

1999 Американдық ғалымдар М.Рид пен Д.Тур бір молекуланы да, олардың тізбегін де манипуляциялаудың бірыңғай принциптерін әзірледі.

Микроэлектрониканың элементтік негізі 100 нм кедергіні еңсерді.

2000 ж. АҚШ ұлттық нанотехнологиялық бастама (NNI) деп аталатын ауқымды нанотехнологиялық зерттеу бағдарламасын іске қосты.

Неміс физигі Р.Магерле нанотомография технологиясын ұсынды – 100 нм рұқсатымен заттың ішкі құрылымының үш өлшемді бейнесін жасау. Жобаны Volkswagen қаржыландырды.

2002 Hewlett зерттеу орталығының қызметкерлері

Пакард (АҚШ) Ф.Кьюкс пен С.Уильямс молекулалық деңгейде жүзеге асырылған күрделі логикасы бар қиылысатын наноөткізгіштерге негізделген чиптерді жасау технологиясын патенттеді.

С.Деккер көміртекті нанотүтікшені ДНҚ-мен біріктіріп, бір наномеханизмді алды.

2004 ж. Манчестер университеті (Ұлыбритания) графенді - қалыңдығы бір атомды құрайтын графит құрылымы бар материалды, интегралды схемалардағы кремнийді алмастыратын перспективалық материалды жасады (графенді жасағаны үшін ғалымдар А. Гэйм мен К. Новоселов Нобель сыйлығының лауреаты атанды. 2010 жылы).

2005 Altar Nanotechnologies (АҚШ) наноаккумулятордың жасалғанын жариялады.

2006 АҚШ-тың Солтүстік-Батыс университетінің зерттеушілері наноқұрылымдарға арналған алғашқы «баспа станогын» жасап шығарды, бұл 50 000-нан астам наноқұрылымды бір уақытта атомдық дәлдікпен және бетіндегі бірдей молекулалық үлгімен нано масштабта шығаруға мүмкіндік береді, бұл болашақтың негізі болып табылады. наножүйелерді жаппай өндіру.

IBM американдық ғалымдары әлемде алғаш рет көміртекті нанотүтікке негізделген толық функционалды интегралды схеманы жасай алды.

Райс университетінен (АҚШ) Д. Тур алғашқы қозғалатын наножүйені - өлшемі ~ 4 нм молекулалық машинаны жасады.

Портсмут университетінің (Ұлыбритания) бір топ ғалымдары тірі организмдер «әлемі» мен компьютерлер «әлемі» арасындағы байланыстың перспективті негізі болып табылатын ДНҚ негізіндегі бірінші электронды бионанотехнологиялық коммутаторды жасады.

Калифорния технологиялық институтының (АҚШ) ғалымдары бірінші портативті биосенсор-қан анализаторын (lab-on-chip портативті зертханасы) жасап шығарды.

2007 Intel (АҚШ) ең кіші құрылымдық элементі ~ 45 нм өлшемі бар процессорларды шығара бастады.

Технология институтының (Джорджия, АҚШ) қызметкерлері 12 нм рұқсатымен сканерлеу литографиясының технологиясын әзірледі.

Жоғарыда айтылған және басқа да зерттеулер, ашылулар, өнертабыстар нанотехнологиялық әдістерді өнеркәсіпте қолдануға қуатты серпін берді. Қолданбалы нанотехнологияның қарқынды дамуы басталды.

Алғашқы коммерциялық наноматериалдар пайда болды – наноұнтақтар, наножабындар, көлемді наноматериалдар, нанохимиялық және нанобиологиялық препараттар; нанотехнология негізінде әр түрлі мақсаттағы алғашқы электронды құрылғылар, сенсорлар жасалды; Наноматериалдарды алудың көптеген әдістері жасалған.

Әлемнің көптеген елдері үкіметтер мен мемлекет басшылары деңгейінде нанотехнология мәселелері бойынша зерттеулерге белсенді түрде атсалысып, болашақтың болашағын бағалайды. Әлемнің жетекші университеттері мен институттарында (АҚШ, Германия, Жапония, Ресей, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Қытай, Израиль және т.б.) белгілі ғалымдар жетекшілік ететін наноқұрылымдардың зертханалары мен кафедралары құрылды.

Нанотехнологиялар қазірдің өзінде адам қызметінің маңызды салаларында – радиоэлектроникада, ақпараттық салада, энергетикада, көлікте, биотехнологияда, медицинада, қорғаныс өнеркәсібінде қолданылуда.

Бүгінгі таңда нанозерттеумен әлемнің 50-ден астам елі айналысады.

Осы саладағы зерттеулердің бірегей нәтижелері үшін 8 Нобель сыйлығы берілді.

2. Наноғылымның негізгі түсініктері

Наноғылым дербес пән ретінде соңғы 7-10 жылда ғана пайда болды. Наноқұрылымдарды зерттеу көптеген классикалық ғылыми пәндер үшін ортақ бағыт болып табылады. Нанохимия олардың арасында жетекші орындардың бірін алады, өйткені ол табиғи материалдардан сапасы жағынан жиі жоғары, қажетті қасиеттері бар жаңа наноматериалдарды әзірлеуге, өндіруге және зерттеуге іс жүзінде шексіз мүмкіндіктер ашады.

Нанохимия – әртүрлі наноқұрылымдардың қасиеттерін зерттейтін, сондай-ақ оларды алудың, зерттеудің және өзгертудің жаңа тәсілдерін жасайтын ғылым.

Нанохимияның басым міндеті – нанобөлшектердің мөлшері мен оның қасиеттері арасындағы байланысты орнату.

Нанохимияның зерттеу объектілері ретінде олардың эквиваленттік өлшемі наноинтервалда (0,1 - 100 нм) қалатындай массасы бар денелер табылады.

Наноөлшемді нысандар бір жағынан сусымалы материалдар, екінші жағынан атомдар мен молекулалар арасында аралық орынды алады. Материалдарда мұндай заттардың болуы оларға жаңа химиялық және физикалық қасиеттер береді. Нанообъектілер кванттық механика заңдары әрекет ететін әлем мен классикалық физика заңдары әрекет ететін әлем арасындағы аралық және байланыстырушы буын болып табылады.

Сурет 1. Қоршаған дүние объектілерінің сипаттамалық өлшемдері

Нанохимия әртүрлі наножүйелердің өндірісі мен қасиеттерін зерттейді. Наножүйелер – бұл газ немесе сұйық ортамен қоршалған денелер жиынтығы. Мұндай денелер көп атомды кластерлер мен молекулалар, нанотамшылар мен нанокристалдар болуы мүмкін. Бұл атомдар мен макроскопиялық денелер арасындағы аралық формалар. Жүйелердің өлшемі 0,1 - 100 нм аралығында қалады.

Кесте 1. Фазалық күй бойынша нанохимия объектілерінің жіктелуі

наноғылымдық нанобөлшектердің нанохимия классификациясы

Нанохимия зерттейтін объектілердің ауқымы үнемі кеңеюде. Химиктер әрқашан нанометрлік денелердің ерекшеліктерін түсінуге тырысты. Бұл коллоидтық және макромолекулалық химияның қарқынды дамуына әкелді.

ХХ ғасырдың 80-90 жылдарында электронды, атомдық күш және туннельдік микроскопия әдістерінің арқасында металл нанокристалдары мен бейорганикалық тұздардың, ақуыз молекулаларының, фуллерендер мен нанотүтіктердің әрекетін бақылауға мүмкіндік туды, ал соңғы жылдары мұндай бақылаулар массивке айналды.

Кесте 2. Нанохимиялық зерттеулердің объектілері

Осылайша, нанохимияның келесі негізгі сипаттамаларын ажыратуға болады:

1. Заттардың геометриялық өлшемдері нанометрлік масштабта жатады;

2. Объектілер мен олардың жиындары бойынша жаңа қасиеттердің көрінісі;

3. Объектілерді бақылау және нақты манипуляциялау мүмкіндігі;

4. Объектілер негізінде құрастырылған объектілер мен құрылғылар жаңа тұтынушылық қасиеттерді алады.

3. Кейбір нанобөлшектердің құрылымы мен әрекетінің ерекшеліктері

Инертті газдардың атомдарынан жасалған нанобөлшектер ең қарапайым нанообъектілер болып табылады. Толық толтырылған электронды қабықшалары бар инертті газдардың атомдары бір-бірімен Ван-дер-Ваальс күштері арқылы әлсіз әрекеттеседі. Мұндай бөлшектерді сипаттау кезінде қатты шарлар моделі қолданылады.

Металл нанобөлшектері. Бірнеше атомнан тұратын металдық кластерлерде байланыстың ковалентті де, металдық түрі де жүзеге асуы мүмкін. Металл нанобөлшектері жоғары реактивті және катализатор ретінде жиі қолданылады. Металл нанобөлшектері әдетте дұрыс пішінді алады – октаэдр, икосаэдр, тетрадекаэдр.

Фракталды шоғырлар – тармақталған құрылымы бар объектілер: күйе, коллоидтар, әртүрлі аэрозольдер және аэрогельдер. Фрактал - бұл үлкейту арқылы бір құрылымның барлық деңгейде және кез келген масштабта қалай қайталанатынын көруге болатын объект.

Молекулалық кластерлер – молекулалардан тұратын шоғырлар. Көптеген кластерлер молекулалық. Олардың саны мен әртүрлілігі өте көп. Атап айтқанда, көптеген биологиялық макромолекулалар молекулалық кластерлерге жатады.

Фуллерендер - бұл коваленттік байланыс арқылы байланысқан көміртегі атомдарының полиэдрлері арқылы түзілген қуыс бөлшектер. Фуллерендер арасында микроскопиялық футбол добына ұқсайтын 60 көміртегі атомынан тұратын бөлшек - С60 ерекше орынды алады.

Нанотүтіктер – шамамен 1 000 000 көміртек атомынан тұратын және диаметрі шамамен нанометр және ұзындығы бірнеше ондаған микрон болатын бір қабатты түтіктер болып табылатын, іші қуыс молекулалар. Нанотүтікшенің бетінде көміртегі атомдары дұрыс алтыбұрыштардың төбелерінде орналасқан.

4. Нанохимияны қолданбалы қолдану түрлері

Нанохимияны шартты түрде келесіге бөлуге болады:

1. Теориялық

2. Эксперименттік

3. Қолданылады

Теориялық нанохимия бөлшектер күйінің кеңістіктік координаттар мен жылдамдықтар, масса, әрбір нанобөлшектердің құрамының сипаттамалары, пішіні мен құрылымы сияқты параметрлерін ескере отырып, наноблоктардың мінез-құлқын есептеу әдістерін әзірлейді.

Эксперименттік нанохимия үш бағытта дамып келеді. Біріншісі шеңберінде ондаған және жүздеген атомдарды қоса алғанда, молекулалардың құрылымын бағалауға мүмкіндік беретін аса сезімтал спектрлік әдістер әзірленіп, қолданылады. Екінші бағыт аясында құбылыстар нанозондтар мен арнайы манипуляторлар арқылы жүзеге асырылатын наноблоктарға жергілікті (жергілікті) электрлік, магниттік немесе механикалық әсерлермен зерттеледі. Үшінші бағыт аясында наноблоктар ұжымдарының макрокинетикалық сипаттамалары және күй параметрлері бойынша наноблоктардың таралу функциялары анықталды.

Қолданбалы нанохимия мыналарды қамтиды:

Наножүйелерді техника мен нанотехнологияда қолданудың теориялық негіздерін, оларды пайдалану жағдайында нақты наножүйелердің дамуын болжау әдістерін, сондай-ақ пайдаланудың оңтайлы әдістерін іздеу (техникалық нанохимия).

Наноматериалдарды синтездеу кезінде наножүйелердің әрекетінің теориялық үлгілерін құру және оларды алудың оңтайлы шарттарын іздеу (синтетикалық нанохимия).

Биологиялық наножүйелерді зерттеу және наножүйелерді дәрілік мақсатта қолдану әдістерін құру (медициналық нанохимия).

Қоршаған ортадағы нанобөлшектердің түзілуі мен миграциясының теориялық үлгілерін және нанобөлшектерден табиғи суларды немесе ауаны тазалау әдістерін әзірлеу (экологиялық нанохимия).

5. Нанобөлшектерді алу әдістері

Газ фазасында нанобөлшектерді алу:

1 «Булану – конденсация» процесінде нанобөлшектерді алу.

Газ фазасында келесі процестер жиі жүргізіледі: булану – конденсация (электр доғасында және плазмада булану); атмосфералық жауын-шашын; топохимиялық реакциялар (тотықсыздану, тотығу, қатты фаза бөлшектерінің ыдырауы). «Булану - конденсация» процесінде сұйық немесе қатты заттар төмен қысымды инертті газ атмосферасында реттелетін температурада буланады, содан кейін салқындатқыш ортада немесе салқындату құрылғыларында бу конденсацияланады. Бұл әдіс өлшемдері екіден бірнеше жүз нанометрге дейінгі бөлшектерді алуға мүмкіндік береді. 20 нм-ден кіші нанобөлшектер әдетте сфералық болады, ал үлкендері қырлы болып көрінуі мүмкін.

Әдетте буланған зат қыздырғышы және тесігі (диафрагмасы) бар қыздыру камерасына орналастырылады, ол арқылы заттың буланатын бөлшектері вакуумдық кеңістікке (шамамен 0,10 Па қысыммен) түседі, онда молекулалық сәуле пайда болады. Түзу сызықты дерлік қозғалатын бөлшектер салқындатылған субстратта конденсацияланады. Газ клапан арқылы аппараттан шығарылады. Көздің температурасы молекулалық сәуленің қажетті қарқындылығына және буланатын материалдың тепе-теңдік қысымына байланысты таңдалады. Ол заттың балқу температурасынан жоғары немесе төмен болуы мүмкін.

Айта кету керек, кейбір заттар (мысалы, Sn және Ge) жеке атомдар түрінде де, ұсақ шоғырлар түрінде де буланады. Жылыту камерасындағы саңылау арқылы эффузия ағыны арқылы алынған төмен қарқынды молекулалық сәулелерде шағын шоғырлардың біркелкі таралуы байқалады. Молекулалық сәуле әдісінің басты артықшылығы - сәуленің қарқындылығын дәл бақылау және конденсация аймағына бөлшектердің берілу жылдамдығын бақылау мүмкіндігі.

2 Нанобөлшектердің газ-фазалық өндірісі.

Төмен қарқынды молекулалық сәуле әдісі көбінесе химиялық тұндыру әдістерімен біріктіріледі. Бөлшектердің соқтығысу ықтималдығын азайту үшін тұндыру құрылғының суық бетіне жақын немесе тікелей бақыланатын температурада және төмендетілген қысымда жүзеге асырылады.

Нанобөлшектердің газ-фазалық өндірісі үшін буланған материалды беру және қыздыру әдістерімен, газ ортасының құрамымен, конденсация процесін жүзеге асыру әдістерімен және алынған ұнтақты таңдаумен ерекшеленетін қондырғылар қолданылады. Мысалы, ұнтақ салқындатылған айналмалы цилиндрге немесе барабанға құйылады және одан қырғышпен қабылдағыш ыдысқа сүртіледі.

Металл наноұнтақтарының газ-фазалық синтезі аппаратының конструктивтік схемасына жұмыс камерасы, салқындатылған барабан, қырғыш, шұңқыр, ұнтақты қабылдау контейнері, қыздырылған құбырлы реактор, буланатын материалды бақыланатын жеткізу құрылғысы және тасымалдаушы газ. Құбырлы реакторда буланған материал тасымалдаушы инертті газбен араласады және газ фазалық күйге ауысады.

Алынған кластерлердің немесе нанобөлшектердің үздіксіз ағыны реактордан аппараттың жұмыс камерасына түседі, онда шамамен 1–50 Па қысым жасалады. Нанобөлшектердің конденсациясы және олардың ұнтақ түрінде тұндыру салқындатылған айналмалы барабанның бетінде жүреді. Скрепердің көмегімен барабанның бетінен ұнтақ алынады; содан кейін воронка арқылы қабылдау резервуарына түседі және одан әрі өңдеуге жіберіледі.

Вакуумдағы буланудан айырмашылығы, сиректенген атмосферада буланған зат атомдары газ атомдарымен соқтығысуы салдарынан кинетикалық энергиясын тезірек жоғалтып, кристалдық ядролар (кластерлер) түзеді. Олар конденсацияланған кезде нанокристалды бөлшектер түзіледі. Осылайша, алюминий буының сутегіде, гелийде және аргонда әртүрлі газ қысымында конденсациялану процесінде өлшемі 20 - 100 нм болатын бөлшектер алынады.

3 Топохимиялық реакциялардың көмегімен нанобөлшектерді алу.

Кейбір газ орталарының металл нанобөлшектерімен олардың бу фазасынан конденсациялану сәтіндегі топохимиялық реакцияларын пайдалана отырып, қажетті қосылыстардың нанобөлшектерін алуға болады. Қажетті қосылысты алу үшін буланған металдың реагент газымен әрекеттесуін тікелей газ фазасында да қамтамасыз етуге болады.

Газ фазалық химиялық реакциялар әдісінде наноматериалдардың синтезі ұшқыш заттардың буларының атмосферасында болатын химиялық өзгерістердің арқасында жүреді. Бастапқы реагенттер ретінде галогенидтер (әсіресе металл хлоридтері), металл оксихлоридтері MeOnClm, алкоксидтер Me(OR)n, алкил қосылыстары Me(R)n, металл булары және т.б. кеңінен қолданылады. Бұл әдісті бор, қара көміртек, металдар, қорытпалар, нитридтер, карбидтер, силицидтер, сульфидтер және басқа қосылыстардың наноматериалдарын алуға болады.

Қарастырылып отырған әдіс бойынша наноматериалдарды синтездеу кезінде алынған өнімдердің қасиеттеріне көбінесе реакторлардың конструкциясы, реагенттерді қыздыру әдісі, процесс кезіндегі температура градиенті және басқа да бірқатар факторлар әсер етеді.

Газ фазалық химиялық реакциялар әдетте құбырлы ағынды реакторлардың әртүрлі типтерінде жүргізіледі. Ең кең тарағандары реакция аймағын сыртқы қыздыратын реакторлар. Аппараттардың реакция аймағы үшін құрылымдық материалдар ретінде кварц қосылыстары, керамикалық материалдар немесе алюминий тотығы қолданылады.

Газ фазасының ұнтақпен топохимиялық әрекеттесуі оның бөлшектеріне әртүрлі жабындарды жағу және модификациялаушы қоспаларды енгізу үшін қолданылады. Бұл жағдайда қатты фаза бөлшектер арасындағы көлемде емес, тек бөлшектердің бетінде ғана бөлінуі үшін процестің біркелкі еместік дәрежесін бақылау қажет. Мысалы, топохимиялық реакцияларға нитридтерді синтездеу үшін көміртегі қатысында оксидтердің азотпен әрекеттесуі жатады. Осылайша кремний, алюминий, титан және цирконий нитридтерінің ұнтақтары синтезделеді.

Инертті газдың құрамы бөлшектердің өсу жылдамдығына әсер етеді. Қоршаған ортаның ауыр атомдары конденсацияланған атомдардан энергияны қарқынды түрде алады және осылайша бөлшектердің өсуіне ықпал етеді, салқындату температурасының төмендеуі де бөлшектердің өсуіне ықпал етеді. Аппараттағы газ қысымын және газ ортасының құрамын өзгерту арқылы әртүрлі көлемдегі нанобөлшектерді алуға болады. Осылайша, гелийді аргонмен немесе ксенонмен ауыстыру нәтижесінде пайда болатын нанобөлшектердің көлемі бірнеше есеге артады.

Газ фазасында наноұнтақтарды өндіру қатты-газ интерфейсіндегі салыстырмалы түрде төмен беттік керілумен қамтамасыз етіледі; беттік керілудің жоғарылауы агрегаттағы нанобөлшектердің тығыздалуына әкеледі. Сонымен бірге жоғары температура диффузиялық процестерді тездетеді, бұл бөлшектердің өсуіне және бөлшектер арасында қатты дене көпірлерінің пайда болуына ықпал етеді. Қарастырылып отырған әдістің негізгі мәселесі газ ағынындағы бөлшектердің концентрациясы төмен және газ температурасы жеткілікті жоғары болған жағдайда нанобөлшектерді газ фазасынан бөлу болып табылады. Нанобөлшектерді ұстау үшін арнайы фильтрлеу құрылғылары (мысалы, керамикалық-металл сүзгілері, электростатикалық тұндырғыштар), циклондар мен гидроциклондарда қатты бөлшектерді центрифугалық тұндыру және арнайы газ центрифугалары қолданылады.

Нанобөлшектер құрамында металл катиондары, молекулалық аниондар немесе металлорганикалық қосылыстар бар қатты заттардың жоғары температурада ыдырауынан түзілуі мүмкін. Бұл процесс термолиз деп аталады. Мысалы, литийдің ұсақ бөлшектерін литий азиді LiN ыдырату арқылы алуға болады. Зат эвакуацияланған кварцты түтікке салынып, аппаратта 400 С дейін қыздырылады. Шамамен 370 С температурада азид газ тәрізді N2 бөлінуімен ыдырайды, оны эвакуацияланған кеңістіктегі қысымның жоғарылауымен анықтауға болады. Бірнеше минуттан кейін қысым бастапқы деңгейіне дейін төмендейді, бұл барлық N2 жойылғанын көрсетеді. Қалған литий атомдары ұсақ коллоидты металл бөлшектеріне біріктіріледі. Бұл әдісті өлшемдері 5 нм-ден аз бөлшектерді алу үшін қолдануға болады. Бөлшектерді камераға сәйкес газды енгізу арқылы пассивациялауға болады.

Сұйық фазада нанобөлшектерді алу:

1 Химиялық конденсация.

Нанобөлшектерді және өте жұқа жүйелерді алудың химиялық әдістері бұрыннан белгілі. Бөлшектерінің өлшемі 20 нм болатын алтын золының (қызыл) коллоидты ерітіндісі 1857 ж. М.Фарадей. Зольдің агрегаттық тұрақтылығы қатты ерітіндінің интерфейсінде қос электр қабатының пайда болуымен және осы жүйені тұрақтандырудың негізгі факторы болып табылатын ажырау қысымының электростатикалық компонентінің пайда болуымен түсіндіріледі.

Ең қарапайым және жиі қолданылатын әдіс - әртүрлі реакциялар кезінде ерітінділердегі нанобөлшектерді синтездеу. Металл нанобөлшектерін алу үшін қалпына келтіру реакциялары қолданылады, оларда алюминий мен боргидридтер, тетрабораттар, гипофосфиттер және басқа да көптеген бейорганикалық және органикалық қосылыстар тотықсыздандырғыш ретінде қолданылады.

Тұздар мен металл оксидтерінің наноөлшемді бөлшектері көбінесе алмасу және гидролиз реакцияларында алынады. Мысалы, стабилизатор ретінде додеканетиолды қолданып, натрий боргидридімен алтын хлоридін тотықсыздандыру арқылы бөлшектерінің өлшемі 7 нм алтын зольді алуға болады. Тиолдар жартылай өткізгіш нанобөлшектерді тұрақтандыру үшін кеңінен қолданылады. Бұл әдіс өте кең мүмкіндіктерге ие және биологиялық белсенді макромолекулалары бар материалдарды алуға мүмкіндік береді.

2 Ерітінділер мен балқымалардағы тұнбалар.

Ерітінділердегі тұнбалар.

Сұйық ортада нанобөлшектердің пайда болуының жалпы заңдылықтары көптеген факторларға байланысты: бастапқы заттың (ерітінді, балқыма) құрамы мен қасиеттеріне; қарастырылатын жүйенің фазаларының тепе-теңдік диаграммасының сипаты; ерітіндінің немесе балқыманың аса қанығуын жасау әдісі; қолданылатын құрал-жабдықтар және оның жұмыс істеу тәртібі.

Қажетті фазалардың синтезі жағдайында ұнтақ кептірілгеннен кейін термиялық өңдеуден өтеді немесе бұл фазалар бір фазаға біріктіріледі. Термиялық өңдеуден кейін агрегаттар нанобөлшектердің өлшеміне дейін бөлшектенеді.

Бастапқы материалдар мен еріткіш жуу және кейінгі термиялық өңдеу кезінде қоршаған ортаны ластамай, жанама өнімдер мақсатты өнімнен толығымен жойылуы үшін таңдалады. Реагенттерді тиімді араластыру үшін әртүрлі типтегі араластырғыштары бар араластырғыш құрылғылар (винт, штанга, турбина), сорғыларды (орталықтан тепкіш және тісті беріліс) қолданатын циркуляциялық араластырғыштар), дисперсиялық құрылғылар (саптамалар, саптамалар, инжекторлар, айналмалы дискілер, акустикалық бүріккіштер және т.б.) қолданылады. пайдаланылады.

Бір жағынан реактордың өнімділігін арттыру үшін бастапқы заттардың ерігіштігі жоғары болуы керек. Дегенмен, нанобөлшектерді алу кезінде бұл олардың алынған суспензиядағы массалық құрамын және агрегаттарға біріктіру ықтималдығын арттырады.

Екінші жағынан, қатты фазаның түзілуінде тепе-теңдіктің жоғары дәрежесін қамтамасыз ету үшін бастапқы заттардың қаныққан ерітінділерін пайдалану қажет. Суспензияда нанобөлшектердің аздаған бөлігін сақтау үшін нашар еритін бастапқы заттарды қолдану мақсатқа сай. Бұл жағдайда реактордың өнімділігі төмендейді. Тағы бір мүмкіндік - тұнбаның аз мөлшерін және тұндырғыштың көп мөлшерін пайдалану. Су ерітінділерінде тұндыру кезінде тұнба ретінде көбінесе аммиак, аммоний карбонаты, қымыздық қышқылы немесе аммоний оксалатының ерітінділері қолданылады. Тұндыру кезінде бастапқы материалдар ретінде азот, тұз немесе сірке қышқылдарының жақсы еритін тұздары таңдалады.

Ерітіндінің рН және температурасын реттеу арқылы жоғары дисперсті гидроксидтерді алуға жағдай жасауға болады. Содан кейін өнім күйдіріледі және қажет болған жағдайда азайтылады. Алынған металл ұнтақтарының өлшемі 50 - 150 нм сфералық немесе сфера пішініне жақын. Тұндыру әдісі оксидті металл және металл оксидінің материалдарын, олардың негізіндегі композицияларды, әртүрлі ферриттер мен тұздарды алуға болады.

Алынған ұнтақтың қасиеттерін анықтайтын жауапты кезең оның сұйық фазадан бөлінуі болып табылады. Газ-сұйықтық интерфейсінің пайда болуымен Лаплас күштері мен сығылатын бөлшектер күрт артады. Осы күштердің әрекеті нәтижесінде макробөлшектерді монолитті кеуекті өнімдерге нығыздау кезінде қолданылатын нанокөлемді спектрдің бөлшектерінде мегапаскаль тәртібіндегі қысу қысымдары пайда болады. Бұл жағдайда агрегаттың кеуектерінде бөлшектердің ерігіштігінің жоғарылауына және еру-конденсация механизмінің әсерінен агрегаттардың күшеюіне әкелетін гидротермиялық жағдайлар жасалады. Бөлшектер күшті агрегатқа, содан кейін бөлек кристалға біріктіріледі.

Тұнбадан сұйық фазаны алу үшін сүзу, центрифугалау, электрофорез, кептіру процестері қолданылады. Күшті агрегаттардың пайда болу ықтималдығын суды органикалық еріткіштермен алмастыру, сондай-ақ беттік белсенді заттарды қолдану, мұздату арқылы кептіру және аса критикалық жағдайларда кептіру агентін қолдану арқылы азайтуға болады.

Сұйық ортадағы нанобөлшектерді алу технологиясының бір нұсқасы үлкенірек бөлшектердің қолайлы еріткіштерде бақыланатын еруі болып табылады. Ол үшін наноөлшемді диапазонда олардың еру процесін баяулату немесе тіпті тоқтату керек. Дәл осылай аталған әдістермен алынған бөлшектердің өлшемдерін олардың өлшемдері қажетті мөлшерден үлкен болып шыққан жағдайда түзетуді жүзеге асыруға болады.

Балқымалардағы жауын-шашын.

Бұл әдіспен сұйық орта балқытылған тұздар немесе металдар (көбінесе балқытылған тұздар қолданылады). Қатты фазаның пайда болуы жеткілікті жоғары температурада, диффузиялық процестер кристалдардың өсуінің жоғары жылдамдығын тудырған кезде жүреді. Бұл жағдайда негізгі мәселе - жанама қосылыстардың құрамдас бөліктерін синтезделген ұнтақпен ұстауды болдырмау. Салқындағаннан кейін синтезделген ұнтақты бөліп алу үшін тұзды қолайлы еріткіштерде ерітеді.

Процестің тепе-теңдіксіз дәрежесін өзгерту арқылы материалдың құрылымын бақылауға болады. Қатты фазаның наноөлшемдері бар кезеңде процесс тоқтатылса, наноматериал алуға болады. Бірақ ортаның жеткілікті жоғары температурасында диффузиялық масса алмасудың жоғары жылдамдығына байланысты мұны істеу өте қиын.

Бұл әдіс бастапқы үлкенірек бөлшектерді еріту арқылы нанобөлшектерді алу үшін перспективалы болып табылады. Бұл жағдайда, егер еріткіш орта, мысалы, шыны тәрізді, нанобөлшектерге арналған матрица рөлін атқарса, бірден нанокомпозитті алуға болады.

3 Соль-гель әдісі.

Золь-гель әдісі бірнеше негізгі технологиялық фазаларды қамтиды. Бастапқыда бастапқы заттардың сулы немесе органикалық ерітінділері алынады. Зольді алу үшін ерітінділерден қатты дисперсті фазасы және сұйық дисперсиялық ортасы бар зольдер (коллоидтық жүйелер) түзіледі, мысалы, әлсіз негіздер немесе алкоголаттар тұздарының гидролизі қолданылады. Тұрақты және концентрацияланған зольдердің пайда болуына әкелетін басқа реакцияларды қолдануға болады (мысалы, дисперсті жүйелерде бөлшектердің агрегаттарының ыдырауын болдырмайтын пептизаторларды қолдану). Гидролиз кезінде сумен бірге қосылатын нанобөлшектерге суда еритін полимерлердің немесе беттік белсенді заттардың қорғаныс қабатын қолдану тиімді.

Кейіннен судың бір бөлігін қыздыру, тиісті еріткішпен экстракциялау арқылы одан тазартылғанда золь гельге айналады. Кейбір жағдайларда сулы ерітінді қыздырылған сумен араласпайтын органикалық сұйықтыққа шашылады.

Зольді гельге айналдыру арқылы құрылымдық коллоидтық жүйелер алынады. Дисперстік фазаның қатты бөлшектері бір-бірімен бос кеңістіктік торға қосылады, оның жасушаларында сұйық дисперсиялық орта бар, жүйені тұтастай сұйықтықтан айырады. Механикалық және термиялық әсерлер кезінде бөлшектер арасындағы байланыстар оңай және қайтымды түрде жойылады. Сулы дисперсиялық ортасы бар гельдерді гидрогельдер, ал көмірсутекті дисперсиялық ортасы барларды органогельдер деп атайды.

Гельді кептіру арқылы аэрогельдерді немесе ксерогельдерді – нәзік микрокеуекті денелерді (ұнтақтар) алуға болады. Ұнтақтар өнімді қалыптау, плазмалық бүрку және т.б. Гельді тікелей пленкалар немесе монолитті бұйымдар жасау үшін пайдалануға болады. Қазіргі уақытта бейорганикалық металл емес материалдардан нанобөлшектерді алу үшін золь-гель әдісі кеңінен қолданылады.

4 Нанобөлшектерді алудың электрохимиялық әдісі.

Электрохимиялық әдіс қарапайым және күрделі катиондар мен аниондардың электролизі кезінде катодта заттың бөлінуімен байланысты. Тұрақты электр тогы тізбегіне екі электрод пен электролит ерітіндісінен (балқымадан) тұратын жүйе қосылса, онда электродтарда тотығу-тотықсыздану реакциялары жүреді. Анодта (оң электрод) аниондар электрондарды береді және тотығады; катодта (теріс электрод) катиондар электрон алады және тотықсызданады. Катодта, мысалы, электрокристалдану нәтижесінде пайда болған тұнба морфологиялық тұрғыдан алғанда, көптеген микрокристаллиттердің бос немесе тығыз қабаты болуы мүмкін.

Шөгіндінің құрылымына көптеген факторлар әсер етеді, мысалы, зат пен еріткіштің табиғаты, мақсатты өнім иондарының түрі мен концентрациясы және бөгде қоспалар, тұндырылған бөлшектердің адгезиялық қасиеттері, ортаның температурасы, электр потенциалы, диффузия жағдайлары және т.б. Перспективалы ғылыми бағыттардың бірі наноқұрылымды материалдарды жобалау үшін электрохимиялық синтезді қолдану болып табылады. Оның мәні кинетикалық бақыланатын электр тотықсыздану кезінде моноқабатты беттік белсенді зат матрицаларының астында металл нанобөлшектерінің екі өлшемді (Лангмюр) моноқабаттарының түзілуінде жатыр. Әдістің негізгі артықшылықтары эксперименттік қолжетімділік және нанобөлшектерді алу процесін басқару және басқару мүмкіндігі болып табылады.

Плазма көмегімен нанобөлшектерді алу:

1 Плазманың химиялық синтезі.

Металдардың, нитридтердің, карбидтердің, оксидтердің, боридтердің және олардың қоспаларының ультра ұсақ ұнтақтарын алудың кең таралған химиялық әдістерінің бірі плазмалық-химиялық синтез болып табылады. Бұл әдіс тепе-теңдіктен алшақ жүретін өте жылдам (10,3 - 10,6 с) реакциямен және олардың өсу қарқынының салыстырмалы түрде төмен кезінде жаңа фазаның түзілу жылдамдығымен сипатталады.

Плазма-химиялық синтезде төмен температуралы (400 - 800 К) азот, аммиак, көмірсутек, аргон плазмасы пайдаланылады, ол электр доғасының, электромагниттік жоғары жиілікті өрістің немесе олардың комбинациясы арқылы плазматрондар деп аталатын реакторларда жасалады. . Оларда бастапқы заттардың (газ тәріздес, сұйық немесе қатты) ағыны химиялық трансформация реакцияларын жүргізу үшін одан энергия алып, плазма сақталатын аймақ арқылы тез ұшып өтеді. Бастапқы заттың өзі де плазма түзетін газ болуы мүмкін.

Реактордың құрамына келесі негізгі компоненттер кіреді: электродтар, плазма түзетін газды енгізуге арналған саптамалар, плазмалық доғаны ұстап тұруға арналған электромагниттік катушкалар, реагенттерді енгізуге арналған саптамалар, суық газды енгізу құрылғылары және синтез өнімдерін қабылдауға арналған қабылдағыш. Электродтар арасында пайда болған доғалық колонна плазмалық ағынды құрайды, бұл ретте реакторда 1200–4500 К температураға жетеді.Алынған өнімдер әртүрлі тәсілдермен сөндіріледі: құбырлы жылу алмастырғыштарда, реакцияға түсетін қоспа ағынын суықтың ағындарымен толтыру арқылы. газдар немесе сұйықтықтар, салқындатылған Laval саптамаларында.

Алынған ұнтақтардың сипаттамалары қолданылатын шикізатқа, синтездеу технологиясына және плазмалық алаудың түріне байланысты; олардың бөлшектері монокристалдар және өлшемдері 10 - 100 нм немесе одан да көп. Плазма-химиялық синтез кезінде жүретін процестер мен нанобөлшектерді алудың газ-фазалық әдісі бір-біріне жақын. Плазмадағы өзара әрекеттесуден кейін газ фазасында белсенді бөлшектердің пайда болуы жүреді. Болашақта олардың наноөлшемдерін сақтап, газ фазасынан ажырату қажет.

Плазма-химиялық синтез ұнтақтары нанобөлшектердің кең көлемде таралуымен және соның салдарынан біршама үлкен (1–5 мкм-ге дейін) бөлшектердің болуымен, яғни процестің төмен селективтілігімен, сонымен қатар жоғары ұнтақтағы қоспалардың мөлшері.

Нанобөлшектерді алу үшін олардың өсу әдісін ғана емес, плазмада үлкенірек бөлшектерді ерітуді де қолдануға болады. Практикада реакторлар қолданылады, олардың жұмыс көлеміне лазерлік сәулелену арнайы терезе арқылы және реакциялық қоспаның ағыны арқылы енгізіледі. Олардың қиылысу аймағында бөлшектердің түзілуі орын алатын реакция аймағы пайда болады. Бөлшектердің мөлшері реактордың қысымына және лазерлік сәулеленудің қарқындылығына байланысты. Лазерлік сәулеленудің параметрлерін басқару оңайырақ (жоғары жиілікті немесе доғалық плазмаға қарағанда), бұл бөлшектердің тар өлшемді таралуын алуға мүмкіндік береді. Осылайша бөлшектерінің өлшемі 10 - 20 нм кремний нитриді ұнтағы алынды.

2 Электроэрозиялық әдіс.

Әдістің мәні сұйық ваннаға батырылған электродтар арасында доғаның пайда болуы болып табылады. Бұл жағдайда электродтардың заты жартылай дисперсті болып, сұйықпен әрекеттесіп, дисперсті ұнтақ түзеді. Мысалы, алюминий электродтарының судағы электрлік эрозиясының нәтижесінде алюминий гидроксиді ұнтағы пайда болады.

Алынған қатты тұнбаны сүзу, центрифугалау, электрофорез арқылы сұйық фазадан бөледі. Содан кейін ұнтақ кептіріледі және қажет болса, алдын ала ұсақталады. Кейінгі термиялық өңдеу процесінде мақсатты өнім ұнтақтан синтезделеді, одан деагрегация процесінде қажетті өлшемдегі бөлшектер алынады. Бұл әдісті наноөлшемді бөлшектерді алу үшін қолдануға болады, егер үлкен бөлшектер сұйық фазаға орналастырылса.

3 Соққы-толқын немесе детонациялық синтез.

Бұл әдіс бойынша нанобөлшектерді жарылыс камерасында (детонациялық түтік) жоғары жарылғыш заттардың (ТЭ) жарылысы кезінде пайда болған плазмада алады.

Жарылғыш құрылғының қуаты мен түріне байланысты материалға соққы-толқындық әрекеттесу 3000 К-ден жоғары температурада және бірнеше ондаған гектопаскаль қысымында өте қысқа мерзімде (оннан микросекундтар) жүзеге асырылады. Мұндай жағдайларда реттелген диссипативті наноөлшемді құрылымдар түзілетін заттарда фазалық ауысу мүмкін. Соққы толқыны әдісі алмаз ұнтақтары, куб бор нитраты және т.б. сияқты жоғары қысымда синтезделген материалдар үшін ең тиімді.

Теріс оттегі балансы бар конденсацияланған жарылғыш заттардың жарылғыш түрленуі кезінде (тротил және RDX қоспасы) реакция өнімдерінде көміртек болады, одан 4–5 нм ретті бөлшектердің өлшемімен алмазды дисперсті фаза түзіледі.

Әртүрлі металдардың кеуекті құрылымдарын және олардың тұздарын, металл гидроксидтерінің гельдерін жарылғыш зарядтың соққы толқыны әсеріне ұшырату арқылы Al, Mg, Ti, Zn, Si және т.б. оксидтерінің наноұнтақтарын алуға болады.

Соққы-толқынды синтез әдісінің артықшылығы - қарапайым фазалардың ғана емес, сонымен қатар жоғары қысымды фазалардың әртүрлі қосылыстарының наноұнтақтарын алу мүмкіндігі. Дегенмен, әдісті іс жүзінде қолдану үшін жарылыс жұмыстарын жүргізу үшін арнайы қондырғылар мен технологиялық жабдықтар қажет.

Механохимиялық синтез.

Бұл әдіспен қатты заттарды механикалық өңдеу қамтамасыз етіледі, нәтижесінде заттардың ұнтақталуы және пластикалық деформациясы орын алады. Материалдарды ұнтақтау химиялық байланыстың үзілуімен бірге жүреді, бұл кейіннен жаңа химиялық байланыстардың пайда болу мүмкіндігін, яғни механикалық химиялық реакциялардың пайда болуын алдын ала анықтайды.

Материалдарды ұнтақтау кезіндегі механикалық әрекет импульстік; бұл жағдайда кернеу өрісінің пайда болуы және оның кейінгі релаксациясы бөлшектердің реакторда болған барлық уақытында емес, тек бөлшектердің соқтығысуы сәтінде және одан кейінгі қысқа уақытта ғана болады. Механикалық әсер тек импульсивті емес, сонымен қатар жергілікті әсер етеді, өйткені ол қатты дененің барлық массасында болмайды, тек кернеу өрісі пайда болып, содан кейін босаңсыған жерде ғана болады.

Қатты денелердің жылу өткізгіштігінің төмен болуына байланысты соққы немесе қажалу кезінде жоғары деңгейде тепе-теңдіксіз бөлінетін энергияның әсері заттың бір бөлігінің иондар және электрондар түрінде – плазмалық күйде болуына әкеледі. . Қатты денедегі механикохимиялық процестерді морт денелердің жойылуының фонондық теориясының көмегімен түсіндіруге болады (фонон – кристалдық тордың серпімді тербелістерінің энергетикалық кванты).

Қатты материалдарды механикалық ұнтақтау ультра ұсақ ұнтақтау диірмендерінде (шарлы, планетарлық, вибрациялық, ағынды) жүргізіледі. Жұмыс органдары ұсақталған материалмен әрекеттескенде оның жоғары температурада қалыпты жағдайда алынатын жоғары (плазмалық) температураға дейін жергілікті қысқа мерзімді қызуы мүмкін.

Механикалық түрде бөлшектердің мөлшері 200-ден 5 - 10 нм-ге дейінгі наноұнтақтарды алуға болады. Сонымен, метал мен көміртегі қоспасын ұнтақтау кезінде

48 сағат ішінде өлшемі 7 - 10 нм болатын TiC, ZrC, VC және NbC бөлшектері алынды. Шарлы диірменде бастапқы бөлшектерінің мөлшері шамамен 75 мкм болатын вольфрам көміртегі мен кобальт ұнтақтарының қоспасынан 100 сағат ішінде бөлшектерінің өлшемі 11-12 нм болатын WC-Co нанокомпозиттік бөлшектері алынды.

Наноматериалдарды алудың биохимиялық әдістері.

Наноматериалдарды биологиялық жүйелерде де алуға болады. Көптеген жағдайларда кейбір бактериялар мен қарапайымдылар сияқты тірі организмдер нанометр өлшемдер диапазонында бөлшектері мен микроскопиялық құрылымдары бар минералдар шығарады.

Биоминерализация процестері жақсы биохимиялық бақылау механизмдерімен жұмыс істейді, нәтижесінде жақсы анықталған сипаттамалары бар материалдар алынады.

Тірі организмдер синтездің немесе өңдеудің биологиялық жағдайларын өзгерту арқылы қасиеттерін өзгертуге болатын ультра жұқа материалдардың тікелей көзі ретінде пайдаланылуы мүмкін. Биохимиялық синтез әдістерімен алынған ультра жұқа материалдар наноматериалдарды синтездеу мен өңдеудің кейбір сыналған және белгілі әдістеріне, сондай-ақ бірқатар технологиялық процестерге бастапқы материалдар ретінде пайдаланылуы мүмкін. Әзірге бұл бағыттағы зерттеу жұмыстары аз, бірақ қазірдің өзінде биологиялық наноматериалдарды өндіру мен пайдаланудың бірқатар мысалдарын көрсетуге болады.

Қазіргі уақытта ультра жұқа материалдарды бірқатар биологиялық объектілерден алуға болады, мысалы, ферритиндер мен темір, магнитті бактериялар және т.б. Осылайша, ферритиндер (ақуыздың бір түрі) тірі организмдерге темір гидроксидтері мен нанометрлік өлшемдегі оксифосфаттардың бөлшектерін синтездеу мүмкіндігін береді. Магнитотактикалық бактериялардың Жердің магнит өрісінің сызықтарын өз бағдарлары үшін пайдалану қабілеті наноөлшемді (40 - 100 нм) бір доменді магнетит бөлшектерінің тізбегіне ие болуға мүмкіндік береді.

Сондай-ақ микроорганизмдердің көмегімен наноматериалдарды алуға болады. Қазіргі кезде күкіртті, темірді, сутегін және басқа заттарды тотықтыратын бактериялар ашылды. Микроорганизмдердің көмегімен дәстүрлі технологиялық процестерді айналып өтіп, кендерден әртүрлі металдарды алу үшін химиялық реакциялар жүргізуге мүмкіндік туды. Мысал сульфидті материалдардан мысты, рудалардан уранды бактериялық шаймалау технологиясы, қалайы мен алтын концентраттарынан мышьяк қоспаларын бөлу.

Кейбір елдерде қазіргі кезде микробиологиялық әдістермен 5% дейін мыстың, уран мен мырыштың көп мөлшері алынады. Нашар карбонатты кендерден марганец, висмут, қорғасын, германий алу үшін микробиологиялық процестерді қолдану үшін зертханалық зерттеулермен расталған жақсы алғышарттар бар. Микроорганизмдердің көмегімен арсенопирит концентраттарында майда таралған алтынды ашуға болады. Сондықтан техникалық микробиологияда жаңа бағыт пайда болды, ол микробиологиялық гидрометаллургия деп аталады.

криохимиялық синтез.

Металл атомдары мен кластерлерінің жоғары белсенділігі тұрақтандырғыштар болмаған кезде үлкенірек бөлшектерге реакция тудырады. Металл атомдарының агрегация процесі іс жүзінде активтену энергиясынсыз жүреді. Периодтық жүйенің барлық дерлік элементтерінің белсенді атомдарын тұрақтандыруға матрицалық оқшаулау әдісімен төмен (77 К) және өте төмен (4 - 10 К) температурада қол жеткізілді. Бұл әдістің мәні өте төмен температурада инертті газдарды қолдану болып табылады. Көбінесе аргон мен ксенон матрица ретінде пайдаланылады. Металл атомдарының жұптары 10 - 12 К-ге дейін салқындатылған бетке үлкен, әдетте мың есе артық инертті газбен конденсацияланады. Инертті газдардың айтарлықтай сұйылтуы және төмен температура металл атомдарының диффузия мүмкіндігін іс жүзінде жоққа шығарады және олар конденсатта тұрақтанды. Мұндай атомдардың физика-химиялық қасиеттері әртүрлі спектрлік және радиоспектрлік әдістермен зерттеледі.

Криохимиялық нанотехнологияның негізгі процестері:

1 Ерітінділерді дайындау және дисперсиялау.

Бастапқы заттың немесе заттардың сол немесе басқа еріткіште еруі нәтижесінде біртекті ерітіндідегі компоненттерді араластырудың ең жоғары ықтимал дәрежесіне қол жеткізуге болады, бұл жағдайда көрсетілген құрамды сәйкестендірудің жоғары дәлдігі қамтамасыз етіледі. кепілдік. Ең жиі қолданылатын еріткіш – су; бірақ оңай мұздатылатын және сублимацияланатын басқа еріткіштерді қолдануға болады.

Содан кейін алынған ерітінді қажетті мөлшердегі бөлек тамшыларға таратылады және олар ылғал толығымен мұздатылғанша салқындатылады. Гидродинамикалық дисперсия процесі әртүрлі саптамалар мен сүзгілер арқылы ерітіндінің мерзімінің өтуіне байланысты, сонымен қатар саптамаларды қолдану арқылы жүзеге асырылады.

Ұқсас құжаттар

Нанобөлшектерді алу әдістері туралы жалпы мәліметтер. Криохимиялық нанотехнологияның негізгі процестері. Ерітінділерді дайындау және дисперсиялау. Наноматериалдарды алудың биохимиялық әдістері. Мұздатылған сұйықтық тамшылары. Саптамадан газдардың дыбыстан жоғары шығуы.

курстық жұмыс, 21.11.2010 қосылған


Нанотехнологияның негізгі түсініктері және нанохимияның дамуы. Көміртектің наноәлемдегі рөлі. Көміртектің тіршілік ету формасы ретінде фуллерендердің ашылуы. Ақылды наноматериалдардың түрлері: биомиметикалық, биологиялық ыдырайтын, темір сұйықтығы, бағдарламалық-аппараттық кешен.

презентация, 08/12/2015 қосылды


Нанохимия саласына жататын негізгі аспектілер. Майер бойынша өлшемдік әсерлердің жіктелуі, олардың пайда болу себептері. Атомдық күш микроскопының жұмыс схемасы және жалпы көрінісі. Наноматериалдардың өлшемдері бойынша жіктелуі. Көміртекті нанотүтіктердің қасиеттері.

презентация, 13.07.2015 қосылды


Нанобөлшектердің қасиеттері мен жіктелуі: нанокластерлер және нанобөлшектерге сәйкес. Жасуша дақылдары in vitro уыттылығын зерттеу үшін қолданылады: өкпе, амнион және адам лимфоциттерінің карциномалары, егеуқұйрық кардиомиоциттері. Наноматериалдардың цитоуыттылығын зерттеу.

курстық жұмыс, 14.05.2014 қосылған


Нанотехнологияларды медицинада қолдану. Нанобөлшектердің адам ағзасына әсері. Сканерлеуші ​​зондты микроскоптардың медициналық қолданулары. Екі қабатты ваннада монокристалдарды алу. Мұртты препараттарды алуға арналған құрылғылар.

диссертация, 06.04.2015 қосылған


Ерітінділерде химиялық тотықсыздандыру әдісімен күміс нанобөлшектерін алу ерекшеліктері. Су ерітінділеріндегі металл иондарының радиациялық-химиялық тотықсыздану принципі. Металл ерітінділерінің түзілуі. Плазмон шыңының шамасына рН әсерін зерттеу.

курстық жұмыс, 12/11/2008 қосылды


Нанобөлшектердің адгезиялық әрекеттесуіне артық беттік энергияның әсері. Беттік-активті заттардың адсорбциялық моноқабаттылығы. Жергілікті шоғырлану және аралдық наносөлшемді құрылымның қалыптасуы. Беттік белсенді заттардың беттік күштерге әсері және лиофобты наножүйелердің тұрақтылығы.

сынақ, 17.02.2011 қосылған


Күміс нанобөлшектерінің сипаттамасы. МТТ сынамасының нәтижелері бойынша олардың адам лимфоциттерінің өміршеңдігіне әсері. Жасуша дақылдары in vitro уыттылығын зерттеу үшін қолданылады. Сүтқоректілердің жасуша дақылдарындағы наноматериалдардың цитотоксикалық әсерін зерттеу.

курстық жұмыс, 05/04/2014 қосылған


Ерітіндідегі нанофазаның түзілу үлгілері. Катализаторларды дайындау әдісі. Алюминий тотығында тұндырылған хитозанның ультра жұқа қабаттарында тұрақтандырылған палладий нанобөлшектерін дайындау әдісі. Нанокомпозиттердің физикалық және химиялық қасиеттері.

диссертация, 12/04/2014 қосылды


Металдардың магниттік нанобөлшектері. Мицеллярлық ерітінділердің физика-химиялық қасиеттері. Кондуктометриялық зерттеу, кобальт нанобөлшектерінің тікелей мицеллалардағы синтезі. Лангмюр-Блоджетт пленкасын алу, электронды және атомдық күштік микроскопты сканерлеу.

Нанохимия

Химия және фармакология

Наноғылым дербес пән ретінде соңғы 7-10 жылда ғана пайда болды. Наноқұрылымдарды зерттеу көптеген классикалық ғылыми пәндер үшін ортақ бағыт болып табылады. Нанохимия олардың арасында жетекші орындардың бірін алады, өйткені ол ... жасау, өндіру және зерттеу үшін шексіз дерлік мүмкіндіктер ашады.

ФЕДЕРАЛДЫҚ БІЛІМ БЕРУ АГЕНТТІГІ ОМСК МЕМЛЕКЕТТІК ПЕДАГОГИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ ХИМИЯ-БИОЛОГИЯ ФАКУЛЬТЕТІ
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯ ПӘНІН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ КАФЕДРАСЫ

Нанохимия

Орындаған: 1-ХО оқушысы Куклина Н.Е.

Тексерген: химия ғылымдарының кандидаты, доцент Брянский Б.Я.

Омбы 2008 ж

§1. Наноғылымның қалыптасу тарихы………………………………………………………………3

§2. Наноғылымның негізгі түсініктері……………………………………………………………….5

§3. Кейбір нанобөлшектердің құрылымы мен әрекетінің ерекшеліктері……………………………8

§төрт. Нанохимияны қолданбалы қолдану түрлері ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………9              |

§бес. Нанобөлшектерді алу әдістері…………………………………………………………..10

§6. Наноматериалдар және оларды қолдану перспективалары……………………………………11

Ақпарат көздері………………………………………………………………………………………13

§1. Наноғылымның қалыптасу тарихы

1905 Альберт Эйнштейн қант молекуласының мөлшері р екенін теориялық түрде дәлелдедіал тамырлар 1 нанометр.

1931 ж Неміс физиктері Эрнст Руска мен Макс Нолл электронды микрофон жасадытуралы көлемін қамтамасыз ету 10 15 - есе ұлғайту.

1932 Голландиялық профессор Фриц Зернике ми фазалық контрастты ойлап таптыдейін roscope оптикалық микроскоптың кескіндердің бөлшектерін көрсету сапасын жақсартатын нұсқасыа zheniya және оның көмегімен тірі жасушаларды зерттеді.

1939 Эрнст Руска жұмыс істеген Siemens 10 нм рұқсаты бар алғашқы коммерциялық электронды микроскопты шығарды.

1966 жыл Ұлттық бюрода жұмыс істеген американдық физик Рассел Янг n дартс, бүгінде туннельдік микрофондарды сканерлеуде қолданылатын қозғалтқышты ойлап таптытуралы ауқымдары және 0,01 ангстром (1 нанометр = 10 ангстром) дәлдігімен наноқұралдарын орналастыруға арналған.

1968 Bell компаниясының атқарушы вице-президенті Альфред Чо және оның жартылай өткізгіштерді зерттеу бөлімінің қызметкері Джон Артур беттерді өңдеу мәселелерін шешу және электронды құрылғыларды жасауда атомдық дәлдікке жету үшін нанотехнологияларды қолданудың теориялық мүмкіндігін негіздеді.

1974 Токио университетінде жұмыс істеген жапон физигі Норио Танигучи «нанотехнология» терминін (ананың бөліну, құрастыру және өзгерту процесі) ұсынған.а оларды бір атомға немесе бір молекулаға әсер ету арқылы ұстау), бұл ғылыми ортада тез танымал болды.

1982 IBM Цюрих зерттеу орталығында физиктер Герд Бинниг пен Ге n Рич Рорер өткізгіш материалдардың беттерінде атомдардың орналасуының үш өлшемді бейнесін құруға мүмкіндік беретін сканерлеуші ​​туннельдік микроскопты (STM) жасады.

1985 жыл Үш американ химигі: Райс университетінің профессоры Ричард Смолли, сондай-ақ Роберт Карл мен Гарольд Крото мыналардан тұратын фуллерендер молекулаларын ашты. I шар тәріздес орналасқан 60 көміртек атомынан тұрады. Бұл ғалымдар алғаш рет 1 нм объектіні де өлшей алды.

1986 жыл Герд Бинниг микроскопиялық атомдық күш зондын жасадытуралы кез келген материалдың атомдарын визуализациялауға мүмкіндік беретін (тек қана еместуралы жетекші), сондай-ақ оларды манипуляциялау.

19871988 ж «Дельта» ғылыми-зерттеу институтында П.Н. Лускинович, бірінші ресейлік нанотехнологиялық қондырғы іске қосылды, ол қыздыру әсерінен микроскоп зондының ұшынан бөлшектердің бағытталған кетуін жүзеге асырды.

1989 Калифорниялық IBM ғылыми орталығының ғалымдары Дональд Эйглер мен Эрхард Шветцер өз компаниясының аты жазылған никель кристалына ксенонның 35 атомын сала алды.

1991 жыл NEC-те жұмыс істеген жапон профессоры Сумио Лидзима жәнебірге диаметрі 0,8 нм болатын көміртекті түтіктерді (немесе нанотүтіктерді) жасау үшін фуллерендер қолданды.

1991 жыл АҚШ-та Ұлттық ғылым қорының алғашқы нанотехнология бағдарламасы іске қосылды. Жапония үкіметі де осындай шараларды қолға алды.

1998 жыл Делфтс технологиялық университетінің голландиялық профессоры Сис Деккер нанотүтіктер негізінде транзистор жасады. Ол үшін әлемде бірінші болып өзгеруі керек еді e мұндай молекуланың электр өткізгіштігін өлшеңіз.

2000 Неміс физигі Франц Гиссибл кремнийдегі субатомдық бөлшектерді көрді. Оның әріптесі Роберт Магерле үш нанотомография жасау технологиясын ұсындыР 100 нм рұқсатпен заттың ішкі құрылымының бейнесі.

2000 АҚШ үкіметі Ұлттық нанотехнологиялар институтын аштыжәне бастама (NNI). Бұл бағытқа АҚШ бюджетінен 270 миллион доллар бөлінген, коммерциялық e Оған ресейлік компаниялар 10 есе көп инвестиция салған.

2002 Сис Деккер көміртекті түтікті ДНҚ-мен біріктіріп, бір нано алдыханизм болып табылады.

2003 Юта университетінің профессоры Фэн Лю атомдық микроскопты қолдана отырып, Франц Гиссибельдің жетістіктерін пайдалана отырып, ядроның айналасында қозғалған кездегі олардың ауытқуларын талдау арқылы электрондардың орбиталарының кескіндерін жасады.

§2. Наноғылымның негізгі түсініктері

Наноғылым кейін ғана дербес пән ретінде пайда болдыг 7-10 жыл. Наноқұрылымдарды зерттеу көптеген классикалық ғылыми пәндер үшін ортақ бағыт болып табылады. Нанохимия олардың арасында жетекші орындардың бірін алады, өйткені ол табиғи материалдардан сапасы жағынан жиі жоғары, қажетті қасиеттері бар жаңа наноматериалдарды әзірлеуге, өндіруге және зерттеуге іс жүзінде шексіз мүмкіндіктер ашады.

Нанохимия - әртүрлі нанобөлшектердің қасиеттерін зерттейтін ғылымт ruktur, сондай-ақ оларды өндіру, зерттеу және өзгертудің жаңа әдістерін әзірлеу.

Нанохимияның басым міндеті болып табыладыНанометр өлшемдері арасындағы байланысты орнатуа стихия және оның қасиеттері.

Нанохимияның зерттеу объектілерімассасы олардың эквивалентіне тең денелержәне валенттілік өлшемі нано-сары (0,1 100 нм) шегінде қалады.

Наноөлшемді нысандар бір жағынан сусымалы материалдар, екінші жағынан атомдар мен молекулалар арасында аралық орынды алады. Мұндайлардың болуыб материалдардағы жобалар оларға жаңа химиялық және физикалық қасиеттер береді. Нанообъектілер заңдылықтары бар әлем арасындағы аралық және байланыстырушы буын болып табыладытуралы кванттық механика және классикалық физика заңдары әрекет ететін әлем.

Қоршаған дүние объектілерінің сипаттамалық өлшемдері

Нанохимия әртүрлі наножүйелердің өндірісі мен қасиеттерін зерттейді.Наножүйелер газ немесе сұйық ортамен қоршалған денелер жиынтығы. Мұндай т e Ламалар ретінде көп атомды кластерлер мен молекулаларды, нанотамшылар мен нанокристалдарды қолдануға болады. Бұл атомдар мен макроскопиялық денелер арасындағы аралық формалар. Жүйе өлшемі шамаменбірге 0,1 100 нм ішінде балқиды.

Нанохимия объектілерінің фазалық күйі бойынша жіктелуі

Нанохимия зерттейтін объектілердің ауқымы үнемі кеңеюде. Химиктер әрқашан нанометрлік денелердің ерекшеліктерін түсінуге тырысты. Бұл коллоидтық және макромолекулалық химияның қарқынды дамуына әкелді.

ХХ ғасырдың 80-90 жылдарында электронды, атомдық күштер әдістерінің арқасында және сол n микроскопия арқылы металл нанокристалдарының мінез-құлқын бақылауға мүмкіндік туды және e органикалық тұздар, ақуыз молекулалары, фуллерендер мен нанотүтіктер және соңғы жылдары та Бұл бақылаулар кеңінен тарады.

Нанохимиялық зерттеулердің объектілері

Осылайша, нанохимияның келесі негізгі сипаттамаларын ажыратуға болады:

1. Нысандардың геометриялық өлшемдері нанометрлік масштабта жатыр;
2. Объектілер мен олардың жиындары бойынша жаңа қасиеттердің көрінісі;
3. Нысандарды бақылау және нақты манипуляциялау мүмкіндігі;
4. Объектілер негізінде құрастырылған объектілер мен құрылғылар жаңа тұтынушыларды қабылдайды bsky қасиеттері.

§3. Кейбір нанобөлшектердің құрылымы мен әрекетінің ерекшеліктері

Инертті газдар атомдарының нанобөлшектеріең қарапайым нанообъектілер болып табыладыб жобалар. Толық толтырылған электронды қабықшалары бар инертті газдардың атомдары бір-бірімен Ван-дер-Ваальс күштері арқылы әлсіз әрекеттеседі. Мұндай бөлшектерді сипаттау кезінде қатты шарлар моделі қолданылады.

Металл нанобөлшектері. Бірнеше атомнан тұратын металдық кластерлерде байланыстың ковалентті де, металдық түрі де жүзеге асуы мүмкін. Металл нанобөлшектері жоғары реактивті және жиі катализ ретінде пайдаланылады.а тори. Металл нанобөлшектері әдетте октаэдр, ikos дұрыс пішінді аладыа гедра, тетрадекаэдр.

фракталдық кластерлербұлар тармақталған құрылымы бар объектілер: күйе, кол лоидтар, әртүрлі аэрозольдер және аэрогельдер. Фрактал - бұл ұлғайған кезде болатын объектбірге балқуды үлкейту арқылы сіз бір құрылымның барлық деңгейде және кез келген масштабта қалай қайталанатынын көре аласыз.

Молекулалық кластерлермолекулалардан тұратын кластерлер. Көпшілік e шұңқырлар молекулалық. Олардың саны мен әртүрлілігі өте көп. Атап айтқанда, молекулаларғасағ Көптеген биологиялық макромолекулалар полярлық кластерлерге жатады.

Фуллерендер көп қырлы бөлшектерден тұратын қуыс бөлшектер n коваленттік байланыс арқылы байланысқан көміртегі атомдарының лақап аттары. Толтырушылар арасында ерекше орын e жаңа 60 көміртегі атомынан тұратын бөлшек С 60 микроскопиялық футбол добына ұқсайды.

Нанотүтіктер бұл шамамен 1 000 000-нан тұратын ішіндегі қуыс молекулалартуралы көміртегінің қозғалысы және диаметрі шамамен нанометр және ұзындығы бірнеше ондаған микрон болатын бір қабатты түтіктерді білдіреді. Нанотүтікшенің бетінде көміртегі атомдары дисперстітуралы дұрыс алтыбұрыштардың төбелерінде жатыр.

§төрт. Нанохимияның қолданбалы қолданылуы

Нанохимияны шартты түрде келесіге бөлуге болады:

• теориялық
• эксперименттік
• Қолданылған

Теориялық нанохимиябөлшектер күйінің кеңістіктік координаттар мен жылдамдық сияқты параметрлерін ескере отырып, наноблоктардың мінез-құлқын есептеу әдістерін әзірлейді.туралы әрбір нанобөлшектердің sti, массасы, құрамының сипаттамалары, пішіні мен құрылымы.

Эксперименттік нанохимияүш бағытта дамиды.Біріншісі аясында ультрасезімтал спектрлік әдістер әзірленуде және қолданылуда, иәЮ ондаған және жүздеген атомдарды қоса алғанда, молекулалардың құрылымын бағалауға мүмкіндік береді.Екіншісі аясындабағыты, құбылыстары жергілікті (жергілікті) электрде зерттеледі e нанозондтар мен арнайы манипуляторлар көмегімен жүзеге асырылатын наноблоктарға физикалық, магниттік немесе механикалық әсер ету.Үшінші астындабағыттарын анықтаймынт наноблоктар ұжымдарының макрокинетикалық сипаттамалары және тарату функцияларыа күй параметрлері бойынша ескертіңіз.

Қолданбалы нанохимиямыналарды қамтиды:

• Наножүйелерді техника мен нанотехнологияда қолданудың теориялық негіздерін жасаутуралы ғылымы, олардың жағдайында нақты наножүйелердің дамуын болжау әдістері жәнебірге пайдалану, сондай-ақ пайдаланудың оңтайлы әдістерін іздеу (техникалықбірақ нохимия).
• Наномат синтезіндегі наножүйелердің әрекетінің теориялық модельдерін құру e риалдар және оларды өндірудің оңтайлы шарттарын іздеу (синтетикалық нанохимия).
• Биологиялық наножүйелерді зерттеу және наностарды қолдану әдістерін құружәне дәрілік мақсаттарға арналған сабақтар (медициналық нанохимия).
• Қоршаған ортада нанобөлшектердің түзілуі мен миграциясының теориялық үлгілерін жасаусағ тіршілік ету ортасы және табиғи суларды немесе ауаны нанобөлшектерден тазарту әдістері (мысалытуралы логикалық нанохимия).

§бес. Нанобөлшектерді алу әдістері

Негізінде нанобөлшектерді синтездеудің барлық әдістерін екі үлкен топқа бөлуге болады:

Дисперсиялық әдістер, немесе кәдімгі макроүлгіні ұнтақтау арқылы нанобөлшектерді алу әдістері

конденсациялау әдістері, немесе жеке атомдардан нанобөлшектерді «өсіру» әдістері.

Дисперсиялық әдістер

Дисперсиялық әдістермен бастапқы денелер нанобөлшектерге дейін ұнтақталған. Нанобөлшектерді алудың бұл тәсілін кейбір ғалымдар бейнелі түрде атайды«жоғарыдан төменге» көзқарас . Бұл нанобөлшектерді, «еттің» бір түрін жасаудың ең қарапайым тәсілі.туралы макроденелер үшін кесу». Бұл әдіс микроэлектроникаға арналған материалдарды өндіруде кеңінен қолданылады, ол өнеркәсіптік жабдықтың және қолданылатын материалдың мүмкіндіктері шегінде объектілердің өлшемін наноөлшемге дейін азайтудан тұрады. Және h Заттарды тек механикалық жолмен ғана емес, нанобөлшектерге ұсақтауға болады. Ресейлік Advanced Powder Technologies компаниясы күшті ток импульсі бар металл жіпті жару арқылы нанобөлшектерді алады.

Нанобөлшектерді алудың экзотикалық әдістері де бар. Америкалық ғалымдар 2003 жылы інжір ағашының жапырақтарынан микроағзаларды жинадыРодококк және оларды алтын ерітіндісіне салды. Бактериялар химиялық зат ретінде әрекет еттібірге біріншісі, күміс иондарынан диаметрі шамамен 10 нм болатын таза нанобөлшектерді жинайды. Нанобөлшектерді құру арқылы бактериялар өзін қалыпты сезініп, көбейе берді.

Конденсацияәдістері

Конденсация әдістерімен («төменнен жоғарыға қарай көзқарас») нанобөлшектер n аладысағ жеке атомдарды біріктіру тақырыптары. Әдіс басқарылатынында жатырбірге жағдайлар, атомдар мен иондардың ансамбльдері түзіледі. Нәтижесінде жаңа құрылымдармен және сәйкесінше ансамбльдерді құру шарттарын өзгерту арқылы бағдарламалауға болатын жаңа қасиеттермен жаңа объектілер қалыптасады. Бұл бірг Қозғалыс объектілерді миниатюризациялау мәселесін шешуді жеңілдетеді, жоғары ажыратымдылықтағы литографияның бірқатар мәселелерін шешуге, жаңа микропроцессорларды, жұқа полимерлі пленкаларды, жаңа жартылай өткізгіштерді құруға жақындатады.

§6. Наноматериалдар және оларды қолдану перспективалары

Наноматериалдар ұғымы алғаш рет осы жылы тұжырымдалғанГ.Глейтердің ХХ ғасырдың 80-жылдарытерминнің өзін ғылыми қолданысқа енгізген »наноматериал «. Дәстүрлі наноматериалдардан басқа (химиялық элементтер мен қосылыстар, аморфты заттар, металдар және олардың қорытпалары) оларға нано өткізгіштер, нанополимерлер,а кеуекті материалдар, наноұнтақтар, көптеген көміртекті наноқұрылымдар,а нобиоматериалдар, супрамолекулалық құрылымдар және катализаторлар.

Наноматериалдардың бірегей қасиеттерін анықтайтын факторлар, оларды құрайтын нанобөлшектердің өлшемдік, электронды және кванттық әсерлері, сондай-ақ олардың өте дамыған беті. Көптеген зерттеулер көрсеткендейб наноматериалдардың физика-механикалық қасиеттеріндегі (беріктік, қаттылық және т.б.) елеулі және техникалық қызықты өзгерістер бөлшектердің өлшемдер диапазонында бірнеше аралықта болады.а 100 нм-ге дейінгі сандар. Қазіргі уақытта кристаллит өлшемі шамамен 12 нм және одан аз нитридтер мен боридтерге негізделген көптеген наноматериалдар қазірдің өзінде алынды.

Олардың негізінде жатқан нанобөлшектердің ерекше қасиеттеріне байланысты мұндай кілемшелер e риал көп жағдайда «қарапайымнан» жоғары. Мысалы, күшіл Нанотехнологиядан алынған болат кәдімгі болаттан 1,5-3 есе берік, 50-70 есе қатты, коррозияға 10-12 есе төзімді.

Наноматериалдардың қолданылуы:

• наноэлектроника және нанофотоника элементтері (жартылай өткізгіш транзисторлар мен лазерлер; фотодетекторлар; күн батареялары; әртүрлі сенсорлар)
• өте тығыз ақпаратты жазу құрылғылары
• телекоммуникациялар, ақпараттық және есептеу технологиялары, с r компьютерлер
• бейне жабдығы тегіс экрандар, мониторлар, бейнепроекторлар
• молекулалық деңгейдегі ажыратқыштар мен электрондық схемаларды қоса, молекулалық электрондық құрылғылар
• отын жасушалары және энергия сақтау құрылғылары
• микро- және наномеханика құрылғылары, соның ішінде молекулалық қозғалтқыштар мен наномоторлар, нанороботтар
• нанохимия және катализ, соның ішінде жануды бақылау, жабу, электрлікдейін трохимия және фармацевтика
• авиация, ғарыш және қорғаныс қолданбалары I қоршаған орта
• мақсатты дәрілік және ақуызды жеткізу, биополимерлер мен биологиялық тіндерді емдеу, клиникалық және медициналық диагностика, жасанды бұлшықеттерді құрусағ балық аулау, сүйектер, тірі ағзаларды имплантациялау
• биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментация
• канцерогенді тіндерді, патогенді және биологиялық зиянды агенттерді тіркеу және анықтау; ауыл шаруашылығы мен тамақ өндірісіндегі қауіпсіздік.

Омбы облысы нанотехнологияларды дамытуға дайын

Нанотехнологияларды дамыту Омбы облысында ғылымды, техниканы және техниканы дамытудың басым бағыттарының бірі болып табылады.

Сонымен, Ресей академиясының Сібір бөлімшесінің жартылай өткізгіштер физикасы институтының Омбы филиалында А. h наноэлектрониканы дамыту, ал РҒА Сібір бөлімшесінің Көмірсутектерді өңдеу мәселелері институтында нанокеуекті көміртекті тасымалдаушылар мен катализаторларды алу жұмыстары жүргізілуде.

Ақпарат көздері:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp : // Nanometer.ru
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 КБ Сабақтың жабдығы: Презентация Ұлы Отан соғысының басталуы, мұнда соғыстың алғашқы кезеңінің картасы қолданылады; соғыс туралы деректі фильмдерден үзінділер; Германия мен КСРО-ның соғысқа дайындығы туралы схема; арнаулы кітаптар көрмесі. Ұлы Отан соғысына...

Қашықтықтан білім беру курстары функционалдық материалдар мен наноматериалдарды алудың перспективалық технологияларын әзірлеу үшін мамандарды даярлау саласындағы тиімді қосымша білім беру мен біліктілігін арттырудың заманауи түрі болып табылады. Бұл бүкіл әлемде дамып келе жатқан заманауи білім берудің ең перспективалы түрлерінің бірі. Наноматериалдар мен нанотехнологиялар сияқты пәнаралық салада білім алудың бұл түрі ерекше өзекті болып табылады. Қашықтықтан оқытудың артықшылығы олардың қолжетімділігі, білім беру бағыттарын құрудағы икемділігі, студенттермен өзара әрекеттесу процесінің тиімділігі мен тиімділігін арттыру, күндізгі бөліммен салыстырғанда үнемділігі, соған қарамастан қашықтан оқытумен үйлесімді үйлесуі мүмкін. Нанохимия және наноматериалдардың іргелі принциптері саласында Мәскеу мемлекеттік университетінің нанотехнологиялар бойынша ғылыми-білім беру орталығының бейнематериалдары дайындалды:

• . Наножүйелер мен нанотехнологиялар туралы ғылымдардың негізгі ұғымдары мен анықтамалары. Нанотехнологияның және наножүйе туралы ғылымдардың пайда болу тарихы. Пәнаралық және көп салалылық. Нанообъектілер мен наножүйелердің мысалдары, олардың ерекшеліктері мен технологиялық қолданулары. Нанотехнологиялардың объектілері мен әдістері. Нанотехнологияларды дамытудың принциптері мен перспективалары.
• . Наножүйелерді қалыптастырудың негізгі принциптері. Физикалық және химиялық әдістер. «Жоғарыдан төменге» нанообъектілерді алу процестері. Классикалық, «жұмсақ», микросфералық, ионды-сәулелік (FIB), AFM - литография және нанодентация. Нанообъектілерді механикаландыру және механикалық синтездеу. «төменнен жоғарыға» нанообъектілерді алу процестері. Газ тәрізді және конденсацияланған орталардағы нуклеация процестері. Гетерогенді нуклеация, эпитаксия және гетероэпитаксия. Жұлынның құлауы. Аморфты (шыны) матрицаларда нанообъектілердің синтезі. Химиялық гомогенизация әдістері (копреципитация, золь-гель әдісі, криохимиялық технология, аэрозольді пиролиз, солвотермиялық өңдеу, суперкритикалық кептіру). Нанобөлшектердің және нанообъектілердің классификациясы. Нанобөлшектерді алу және тұрақтандыру әдістері. Нанобөлшектерді агрегациялау және бөлшектеу. Бір және екі өлшемді нанореакторларда наноматериалдардың синтезі.
• . Наножүйелердің статистикалық физикасы. Шағын жүйелердегі фазалық ауысулардың ерекшеліктері. Молекулаішілік және молекулааралық әсерлесу түрлері. гидрофобтылық және гидрофильдік. Өзін-өзі құрастыру және өзін-өзі ұйымдастыру. Мицеллизация. Өздігінен құрастырылған моноқабаттар. Лангмюр-Блоджетт фильмдері. Молекулалардың супрамолекулалық ұйымдасуы. Молекулярлық тану. Полимер макромолекулалары, оларды алу әдістері. Полимерлі жүйелердегі өзін-өзі ұйымдастыру. Блок-сополимерлердің микрофазалық бөлінуі. Дендримерлер, полимерлі щеткалар. Полиэлектролиттердің қабатты өздігінен құрастырылуы. супрамолекулалық полимерлер.
• . Зат, фаза, материал. Материалдардың иерархиялық құрылымы. Наноматериалдар және олардың классификациясы. Бейорганикалық және органикалық функционалды наноматериалдар. Гибридті (органикалық-бейорганикалық және бейорганикалық-органикалық) материалдар. Биоминерализация және биокерамика. Наноқұрылымды 1D, 2D және 3D материалдары. мезокеуекті материалдар. Молекулярлық електер. Нанокомпозиттер және олардың синергиялық қасиеттері. Құрылымдық наноматериалдар.
• . Катализ және нанотехнология. Гетерогенді катализдегі негізгі принциптер мен түсініктер. Гетерогенді катализаторлардың белсенді бетінің түзілуіне дайындық және активтену жағдайларының әсері. Құрылымға сезімтал және құрылымды сезбейтін реакциялар. Нанобөлшектердің термодинамикалық және кинетикалық қасиеттерінің ерекшелігі. Электрокатализ. Цеолиттер мен молекулалық електердегі катализ. мембраналық катализ.
• . Құрылымдық материалдарға және функционалдық жүйелерге арналған полимерлер. Күрделі функцияларды орындауға қабілетті «ақылды» полимерлі жүйелер. «Ақылды» жүйелердің мысалдары (мұнай өндіруге арналған полимерлі сұйықтықтар, смарт терезелер, отын элементтеріне арналған наноқұрылымды мембраналар). Биополимерлер ең «ақылды» жүйелер ретінде. биомиметикалық тәсіл. «Ақылды» полимерлердің қасиеттерін оңтайландыру үшін тізбекті дизайн. Биополимерлердегі тізбектердің молекулалық эволюциясының мәселелері.
• . Химиялық ток көздері үшін жаңа материалдарды: қатты оксидті отын элементтерін (SOFC) және литий батареяларын құрудың қазіргі жағдайы мен мәселелері қарастырылады. Әртүрлі бейорганикалық қосылыстардың қасиеттеріне әсер ететін, оларды электродтық материалдар ретінде пайдалану мүмкіндігін анықтайтын негізгі құрылымдық факторлар талданады: SOFC-дегі күрделі перовскиттер және литий батареяларындағы өтпелі металдардың қосылыстары (күрделі оксидтер мен фосфаттар). Литий аккумуляторларында қолданылатын және перспективалы деп танылған негізгі анодтық және катодтық материалдар қарастырылады: олардың артықшылықтары мен шектеулері, сонымен қатар композициялық материалдардың атомдық құрылымын және микроқұрылымын наноқұрылымдау арқылы бағытталған өзгерту арқылы шектеулерді еңсеру мүмкіндігі. ток көздерінің сипаттамалары.

Кейбір мәселелер кітаптардың келесі тарауларында талқыланады («Бином» баспасы):

Нанохимия, өздігінен құрастыру және наноқұрылымды беттерге арналған иллюстрациялық материалдар:

Ғылыми – танымал «бейне кітаптар»:

Нанохимия және функционалды наноматериалдардың таңдалған тараулары.