98571

Нанохимия

Реферат

Химия и фармакология

В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в последние 7-10 лет. Исследование наноструктур является общим направлением для многих классических научных дисциплин. Нанохимия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования...

Русский

2015-11-04

242.5 KB

15 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ                                                          ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ                    ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ И МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ

Нанохимия

 

Выполнила: студентка 1-ХО                                                                                                  Куклина Н.Е.

Проверил: к.х.н., доцент                                                                                                                  Брянский Б.Я.                                                                                                                

Омск 2008

Содержание:

§1. История становления нанонауки…………………………………………………………3

§2. Основные понятия нанонауки…………………………………………………………….5

§3. Особенности строения и поведения некоторых наночастиц……………………………8

§4. Виды  прикладного использования нанохимии……………………………………….....9

§5. Методы получения наночастиц…………………………………………………………..10

§6. Наноматериалы и перспективы их применения………………………………………...11

Источники информации………………………………………………………………………13

§1. История становления нанонауки

1905 г. Альберт Эйнштейн теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен 1 нанометру.

           1931 г. Немецкие физики Эрнст Руска и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий   1015-кратное увеличение.

         1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике изобрел фазово-контрастный микроскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки. 

1939 г.  Компания Siemens, в которой работал Эрнст Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

         1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал двигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем                 (1 нанометр = 10 ангстрем).         

1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник её отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

        1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.

         1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

         1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото открыли фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший, наконец, визуализировать атомы любых материалов  (не только проводящих), а также манипулировать ими.

         1987–1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П.Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. 

        1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

        1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром        0,8 нм.

         1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии.

         1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г.Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

          2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм.

         2000 г. Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в  10 раз больше. 

         2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

         2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

§2. Основные понятия нанонауки

          В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в последние    7-10 лет. Исследование наноструктур является общим направлением для многих классических научных дисциплин. Нанохимия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования, новых наноматериалов с заданными свойствами, нередко превосходящими по качеству природные материалы.

     Нанохимия - это наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации.

     Приоритетная задача нанохимии -  установление связи между размером наночастицы и ее свойствами.

Объектами исследования нанохимии являются тела с такой массой, что их эквивалентный размер остается в пределах наноинтервала    (0,1 – 100 нм).

          Наноразмерные объекты занимают промежуточное положение между объемными материалами с одной стороны, и атомами и молекулами с другой. Присутствие таких объектов в материалах придает им новые химические и физические свойства. Нанообъекты являются промежуточным и связующим звеном между миром, в котором действуют законы квантовой механики, и миром, в котором действуют законы классической физики.

Характерные размеры  объектов окружающего мира

          Нанохимия исследует получение и свойства различных наносистем. Наносистемы представляют собой множество тел, окруженных газовой или жидкой средой. Такими телами могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Это промежуточные формы между атомами и макроскопическими телами. Размер систем остается в пределах 0,1 – 100 нм.

Классификация объектов нанохимии по фазовому состоянию

Фазовое   состояние

Единичные атомы

Кластеры

Наночастицы

Компактное вещество

Диаметр, нм

0,1-0,3

0,3-10

10-100

Свыше 100

Количество атомов

1-10

10-106 

106-109 

Свыше 109 

Круг объектов исследуемых нанохимией, непрерывно расширяется. Химики всегда стремились понять, в чем состоят особенности тел нанометровых размеров. Это привело к бурному развитию коллоидной и макромолекулярной химии.

         В 80–90-х годах XX века, благодаря методам электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии, удалось наблюдать за поведением нанокристаллов металлов и неорганических солей, белковых молекул, фуллеренов и нанотрубок, а в последние годы такие наблюдения стали массовыми.

Объекты нанохимических исследований

Наночастицы

Наносистемы

Фуллерены

Кристаллы, растворы

Тубулены

Агрегаты, растворы

Молекулы белков

Растворы, кристаллы

Полимерные молекулы

Золи, гели

Нанокристаллы неорганических веществ

Аэрозоли, коллоидные растворы, осадки

Мицеллы

Коллоидные растворы

Наноблоки

Твердые тела

Пленки Ленгмюра – Блоджет

Тела с пленкой на поверхности

Кластеры в газах

Аэрозоли

Наночастицы в слоях различных веществ

Наноструктурированные пленки

          Таким образом, можно выделить следующие основные характеристики нанохимии:

  1.  Геометрические размеры объектов лежат в нанометровом  масштабе;
  2.  Проявление новых свойств объектами и их совокупностями;
  3.  Возможность контроля и точного манипулирования объектами;
  4.  Объекты и устройства, собранные на базе объектов получают новые потребительские свойства.

§3. Особенности строения и поведения некоторых наночастиц

         Наночастицы из атомов инертных газов являются самыми простыми нанообъектами. Атомы инертных газов с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-Ваальса. При описании таких частиц применяется модель твердых шаров.

Наночастицы металлов. В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов. Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму – октаэдра, икосаэдра, тетрадекаэдра.

         Фрактальные кластеры – это объекты с разветвленной структурой: сажа, коллоиды, различные аэрозоли и аэрогели. Фрактал – это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно увидеть, как одна и та же структура повторяется в нем на всех уровнях и в любом масштабе.

Молекулярные кластеры – кластеры, состоящие из молекул. Большинство кластеров являются молекулярными. Их число и разнообразие огромны. В частности, к молекулярным кластерам относятся многие биологические макромолекулы.

Фуллерены представляют собой полые внутри частицы, образованные многогранниками из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Особое место среди фуллеренов занимает частица из 60 атомов углерода – С60, напоминающая микроскопический футбольный мяч.

         Нанотрубки – это полые внутри молекулы, состоящие примерно из 1.000.000 атомов углерода и представляющие собой однослойные трубки диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На поверхности нанотрубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

§4. Виды прикладного использования нанохимии

Условно нанохимию можно разделить на:

  •  Теоретическая
  •  Экспериментальная
  •  Прикладная

          Теоретическая нанохимия   разрабатывает методы расчета поведения нанотел, учитывая такие параметры состояния частиц, как пространственные координаты и скорости, масса, характеристики состава, формы и структуры каждой наночастицы.

Экспериментальная нанохимия развивается в трех направлениях. В рамках первого разрабатываются и используются сверхчувствительные спектральные методы, дающие возможность судить о структуре молекул, включающих десятки и сотни атомов. В рамках второго направления исследуются явления при локальных (местных) электрических, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. В рамках третьего направления определяются макрокинетические характеристики коллективов нанотел и функций распределения нанотел по параметрам состояния.

      Прикладная нанохимия включает в себя:

  •  Разработка теоретических основ применения  наносистем в технике  и нанотехнологии, методов предсказания развития конкретных наносистем  в условиях их использования, а также поиск оптимальных способов эксплуатации (техническая нанохимия).
  •  Создание теоретических моделей  поведения  наносистем  при синтезе наноматериалов и поиск  оптимальных условий их получения (синтетическая нанохимия).
  •  Изучение биологических наносистем и создание методов  использования наносистем  в лечебных целях  (медицинская нанохимия).
  •   Разработка теоретических моделей  образования  и миграции наночастиц  в окружающей среде  и методов очистки природных вод или воздуха  от наночастиц (экологическая нанохимия).

§5. Методы получения наночастиц

Принципиально все методы синтеза наночастиц можно разделить на две большие группы:

диспергационные методы, или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца

конденсационные методы, или методы «выращивания» наночастиц из отдельных атомов.

Диспергационные методы

         При диспергационных методах исходные тела измельчают до наночастиц. Данный подход к получению наночастиц образно называется некоторыми учеными “подход сверху вниз”. Это самый простой из всех способов создания наночастиц, своего рода “мясорубка” для макротел. Данный метод широко используется в производстве материалов для микроэлектроники, он заключается в уменьшении размеров объектов до нановеличин в пределах возможностей промышленного оборудования и используемого материала.  Измельчать вещество в наночастицы можно не только механически. Российская компания «Передовые порошковые технологии» получает наночастицы, взрывая металлическую нить мощным импульсом тока.

   Существуют и более экзотические способы получения наночастиц. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и поместили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действовали как химический восстановитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя наночастицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.

Конденсационные методы

         При конденсационных методах (“подход снизу вверх”) наночастицы получают путем объединения отдельных атомов. Метод заключается в том, что в контролируемых условиях происходит формирование ансамблей из атомов и ионов. В результате образуются новые объекты с новыми структурами и, соответственно, с новыми свойствами, которые можно программировать путем изменения условий формирования ансамблей. Этот подход облегчает решение проблемы миниатюризации объектов, приближает к решению ряда проблем литографии высокого разрешения, создания новых микропроцессоров, тонких полимерных пленок, новых полупроводников.

§6. Наноматериалы и перспективы  их применения

          Впервые концепция наноматериалов была сформулирована в 80-х годах XX века  Г. Глейтером, который ввел в научный обиход и сам термин – «наноматериал».  Кроме традиционных наноматериалов (таких как химические элементы и соединения, аморфные вещества, металлы и их сплавы) к ним относят нанополупроводники, нанополимеры, нанопористые материалы, нанопорошки, многочисленные углеродные наноструктуры, нанобиоматериалы, супрамолекулярные структуры и катализаторы.

         Факторами, определяющими уникальные свойства наноматериалов, являются размерные, электронные и квантовые эффекты образующих их наночастиц, а также их очень развитая поверхность. Многочисленными исследованиями показано, что значительные и технически интересные изменения физико-механических свойств наноматериалов (прочность, твердость и т.д.) происходят в интервале размеров частиц от нескольких нанометров до 100 нм. В настоящее время уже получены многие наноматериалы на основе нитридов и боридов с размером кристаллитов около 1–2 нм и менее.

         Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят «обычные» по многим параметрам. Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в   1,5–3 раза, его твердость больше в 50–70 раз, а коррозийная стойкость – в 10–12 раз.

Области применения наноматериалов:

  •  элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры)
  •  устройства сверхплотной записи информации
  •  телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры
  •  видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы 
  •  молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне
  •  топливные элементы и устройства хранения энергии
  •  устройства микро- и  наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы
  •  нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика
  •  авиационные, космические и оборонные приложения устройства контроля состояния окружающей среды
  •  целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов
  •  биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментарий
  •  регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Омская область готова развивать нанотехнологии

Развитие нанотехнологий – одно из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Омском регионе.

        Так, в Омском филиале Института физики полупроводников СО РАН ведется разработка наноэлектроники, а в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН ведутся работы по получению нанопористых углеродных носителей и катализаторов.

Источники информации:

  •  http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
  •  http://www.rambler.ru/news
  •  http: // Nanometer.ru
  •  http://www.nanonewsnet.ru/
  •  http://www.nanorf.ru/
  •  http://ru.wikipedia.org
  •  http://nanotube.ru/
  •  http://www.membrana.ru/themes/nanotech
  •  http://www.expert.ru/topics/
  •  http://www.kommersant.ru/doc.aspx
  •  http://edu.ulsu.ru/w/index.php


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44634. Единственное и множественное число имен существительных 18.79 KB
  Что вы знаете о зайцах Определите сколько в этом слове зв и букв Какая буква обозначает два звука Запишем ее три раза под самой правильной поставим точку. А сейчас составьте мне такое предложение чтобы в нем говорилось не об одном зайце а о нескольких.Обобщение структурных и семантических признаков понятия и правила Для того чтобы понять правы мы с вами или нет давайте обратимся к учебнику. мы сегодня работали Что нового узнали Рефлексия: Что понравилось на уроке Что было пока сложно 7.
44635. Правила вежливости 18.9 KB
  На каком уроке мы уже говорили о вежливых словах Вспомним что же за особенные эти вежливые слова Слова приветствия Словапросьбы Слова – благодарности Слова пожеланий Словаизвинения Словапрощания На каждую группу приведем примеры. мире мы говорим о вежливых словах Давайте поставим цели на урок:. Откроем страницу 52 и давайте подберем слова к картинкам на которых ребята творят волшебство. Сейчас поработаем в паре: придумайте такую ситуацию с соседом по парте когда 1 ряд: оба ведут себя...
44637. Силы и моменты, действующие в системе электропривода 227.08 KB
  Рабочая машина соединяется с двигателем через передаточное устройство (редуктор, понижающий или повышающий скорость врашения вала двигателя, ремень, муфту, и т.д.). В узлах рабочей машины, в передаточном устройстве, а также и в двигателе при движении, возникают силы трения и инерции.
44638. Депарафинизация масляного сырья кристаллическим карбамидом 26.36 KB
  Карбамид имеет тетрагональную структуру. Его молекулы упакованы плотно, и свободные пространства, в которых могут разместиться молекулы другого вещества, отсутствуют