Нанотехнологии и наноматериалы

Нанотехнология может быть определена как совокупность технических процессов, связанных с манипуляциями молекулами и атомами в масштабах 1 – 100 нм. Приставка «нано» происходит от греч. слова nannos. Атомы имеют размер менее нанометра, молекулы – 1 нм и более, белки – до 10 нм. Для сравнения: человеческий волос имеет толщину порядка 80 000 нм.

Свойства нанообъектов

На многих объектах в химии, физике и биологии показано, что переход на наноуровень приводит к появлению качественных изменений физико-химических свойств отдельных соединений и получаемых на их основе систем. Речь идет об электропроводности, магнитных и оптических свойствах, прочности, термостойкости.

Более того, согласно наблюдениям новые материалы, получаемые с использованием нанотехнологий, значительно превосходят по своим физическим, механическим, термическим и оптическим свойствам аналоги микрометрического масштаба.

- Основные причины появления новых свойств или более ярко выраженных свойств – относительное увеличение поверхности частицы и явное проявление квантовых эффектов: туннелирования и интерференции электронных состояний. Именно эти свойства играют ключевую роль в процессах, происходящих в наночастицах, и в работе устройств на их основе.
- Например, у частиц размером 30 нм на поверхности находятся около 5 % атомов, тогда как у частиц размером 3 нм – уже 50 %. Меняя размер наночастиц, можно изменять поверхностные явления, влияя тем самым на физические и химические свойства материалов. Так, при увеличении поверхности увеличивается химическая реакционная способность, что делает, например, некоторые наноматериалы эффективными катализаторами и изменяет их адсорбционные свойства.

 

Нанохимия
С развитием новых методов исследования строения вещества появилась возможность получать информацию о частицах, содержащих небольшое (< 100) количество атомов. Подобные частицы с размером около 1 нм (10^-9 м) обнаружили необычные, трудно предсказуемые химические свойства. Оказалось, что такие наночастицы обладают высокой активностью и с ними возможно осуществление реакций, которые не идут с частицами макроскопического размера. Изучением химических свойств таких частиц и занимается нанохимия.

Частицы, например, металлов размером ≤ 1 нм содержат около 10 атомов, которые формируют поверхностную частицу, не имеющую объема и обладающую высокой химической активностью.

Физико-химические свойства начинают описывать количеством атомов.

 

Нанохимия – это область, исследующая получение, строение, свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, которые по крайней мере в одном измерении имеют размер ≤ 10 нм.

 

• Появляется представление о размерных эффектах, свойства зависят от количества атомов или молекул в частице. Размерные эффекты – это новое поведение, зависящее от размера частиц.

• Так, например, наблюдаются изменения электронной структуры, проводимости, реакционной способности, температуры плавления и механических характеристик при размерах частиц менее критических.

• Зависимость поведения от размеров частиц позволяет создавать материалы с новыми свойствами из тех же исходных атомов.

• Наночастицы можно рассматривать как промежуточные образования между отдельными атомами с одной стороны, и твердым телом – с другой. Важно расположение атомов внутри структуры, формируемой из наночастиц. Понятие фазы выражено менее четко.

В нанохимии возникают вопросы, связанные с терминологией.

7-я Международная конференция по наноструктурным материалам (г. Висбаден, 2004) предложила следующую их классификацию:

- нанопористые твердые вещества

- наночастицы

- нанотрубки и нановолокна

- нанодисперсии

- наноструктурные поверхности и пленки

- нанокристаллические материалы

Кислотные дожди

Поиски альтернативных источников энергии (отказ от сжигания ископаемого топлива, использование природных источников); повышение кпд устройств, работающих на солнечной энергии Новые топливные элементы

Уменьшение или прекращение выброса окислов серы и азота транспортными и промышленными установками

Нанокластеры золота

• В качестве примера можно рассмотреть возникновение каталитической активности кластеров золота с размерами 3–5 нм, в то время как массивное золото не активно. Так, нанокластеры золота, нанесенные на подложку из оксида алюминия, эффективно катализируют окисление СО при низких температурах до –70 °С, а также обладают высокой избирательностью в реакциях восстановления оксидов азота при комнатной температуре. Подобные катализаторы эффективны для устранения запахов в закрытых помещениях.

В США в ближайшем будущем ожидается коммерческое производство нанокластеров оксидов металлов для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при нападении террористов, а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха, например, в самолетах, казармах и т.д.

 

Полимерные нановолокна

• Широкое распространение получает изготовление полимерных нановолокон диаметром менее 100 нм. Эти волокна используют для изготовления так называемой активной одежды, которая способствует самозаживлению ран и обеспечивает диагностику состояний с восприятием команд извне, т.е. работает также в режиме сенсора.

Биоактивные фильтры

На основе нановолокон создаются биоактивные фильтры. Так, американские фирмы Argonide и NanoCeram наладили выпуск волокон диаметром 2 нм и длиной 10–100 нм из минерала бемита (AlOOH). Благодаря большому количеству гидроксильных групп эти волокна, объединенные в более крупные агрегаты, активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии, вирусы, различного рода неорганические и органические фрагменты и обеспечивают тем самым эффективную очистку воды, а также стерилизацию медицинских сывороток и биологических сред.