Нанотехнологии в химии что это
Нанотехнологии в химии
Нанотехнологии благодаря недавним открытиям ученых получают все большее распространение, и вполне вероятно, что в скором времени они будут внедрены в жизнь каждого человека на Земле. Одним из таких революционных открытий является наноалмаз. Это особая форма материи, получаемая при синтезе карбида кремния с газами хлора и водорода. Ранее такую реакцию удавалось получать лишь в специальных капсулах в результате синтеза сверхвысокого давления и плазмы большой температуры. Теперь же все станет намного проще, так как ученые из Иллинойса во главе с Юрием Гогоци нашли новый, более доступный способ добывания искусственных алмазов, что открывает новые перспективы применения нанотехнологий в науке и технике.
Так, синтез наноалмазов позволяет создавать объекты, на которых при минимально занятом пространстве можно хранить максимальные объемы памяти, например, десятки тысяч Тбайт. Действие происходит по принципу средоточия магнитного поля в специальном кольце, созданном из проводников электричества. Ток проходит через конструкцию, приводя ее в действие. Для создания функции записи или удаления образуется еще одно магнитное поле. Устройства, которые будут работать по данной технологии, имеют ряд преимуществ, так как при небольших габаритах обладают очень высокой производительностью.
Также ученые научились создавать жидкие наноалмазы путем специального химического взрыва: кристаллы преобразуются в особые гидроэлементы, получая ряд новых способностей и свойств. Таким образом, они могут быть использованы в самых разных отраслях науки. Например, ученые уже сейчас делают первые шаги для того, чтобы применять такие частицы в лечении самых сложных заболеваний. Одним из таких заболеваний является рак. Так чем же могут помочь наноалмазы в лечении столь безнадежных случаев? Ответ прост: благодаря их многокристальной структуре и микроскопическим размерам они действуют как транспортеры лекарственных препаратов, доставляя их точно в цель. Эти структуры не токсичны и, в отличие от обычных (нежидких) наноалмазов, легко растворяются внутри человеческих органов, да и просто в воде. При своей ликвидации кристаллы не выделяют вредных веществ в организм, а просто «отдают» лекарственный материал определенному органу.
Нейрохирурги уже тоже умеют использовать нанотехнологии в своих целях. Для лечения мозга они научились заменять электроды из металла на специальные приспособления, изготовленные при особом синтезе материалов кожи морского огурца. Этот элемент на разных стадиях имеет консистенцию резины или компакт-диска.
Также нанотехнологии делают возможным конструирование так называемого наномотора. Берется двухслойная нанотрубка из углерода, разорванная посредине, к ней прикрепляются из внешней части золотые электроды, в то время как внутренняя часть остается свободной; именно она и будет образовывать ротор. Следовательно, будет крутиться внутренний слой. Есть еще один вариант вращения под названием «дрель». При нем внешний слой прикрепляется, как и раньше, к золотым электродам, но только с одной стороны, а внутренняя трубка имеет на конце пучок ртутных электродов. Именно она и будет вращаться со скоростью 8000 м/с. Преимуществом такого двигателя является возможность приведения его в действие без источника электроэнергии. Создания разницы давлений будет достаточно. Другим способом приведения внутренней трубки в движение является обеспечение разницы температур между концами внешней.
Очень часто современные смартфоны или планшеты страдают проблемой перегрева, а все из-за того, что между ядрами процессора для их связи между собой используются медные провода, которые имеют свойство нагреваться. Чтобы устранить данный недостаток, ученые решили использовать специальный переключатель на основе фотонов. Таким образом, нанотехнологии из-за своих крошечных размеров выводят способ передачи информации на совершенно новый уровень.
На сегодняшний день некоторые компании уже объявили о запуске технологий серийного производства нанонитей. Многие могут спросить: а для чего они вообще нужны? Ответ есть: для создания революционных цифровых наноустройств на их базе. Нанонити лягут в основу разработок сверхчувствительных сенсоров, которые получат широкое применение в современных планшетах и смартфонах. Также транзисторы смогут выполняться по данной технологии, что сделает их чрезвычайно технологичными элементами.
Подводя итог, можно сказать, что человечество совсем недавно перешагнуло через порог революционного открытия. Очень скоро миллиарды людей по всему миру беспрепятственно смогут пользоваться его благами, так как современные носители информации, основанные на новой технологии, позволят на чрезвычайно малом участке размещать терабайты информации. Нанокристаллы смогут успешно транспортировать нужные лекарства к определенным органам, что значительно облегчит процедуру введения препаратов. А новейший революционный наномотор в скором будущем будет широко применяться в жизни каждого человека.
Нанотехнологии в химии.
1.1 Терминология. Что значит слово «нанотехнологии» или с чем мы вообще имеем дело?
Слово «нано» (от греческого nanos – карлик) это приставка, означающая одну миллиардную долю чего-либо.
Атом (греч. Atomos – неделимый) – это очень маленькая частица химического элемента. Однако, вопреки названию атом не является неделимым, ведь сам он состоит из ядра и электронов. Для удобства ученые считают, что атом имеет форму шара. В объединении несколько атомов создают молекулу, которую можно представить как совокупность шариков (атомы) и соединяющих их палочек (межатомные связи). Все вещества в природе, включая нас с вами, состоят из атомов и молекул. А все атомы, а также некоторые молекулы, имеют размеры около одного нанометра. Соответственно, Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров.
Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы – основа всех чипов – лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм. Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике. Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше
1.2 История возникновения
Этот манипулятор он предложил делать очень интересным способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут примерно доходить до размера одного. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы.
1.3 Нанотехнологии в жизни человека.
Глобальные планы и ожидания таковы: Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей- первая половина XXI века. Наши современные методы лечения не совсем хороши. Хирургия в большинстве случаев происходит грубым образом, а многие лекарства малоэффективны или плохо развиты. В очень редких лишь случаях можно рассчитать правильную дозу маленького объема содержимого. Но наука, к счастью, не стоит на месте, быстро набирает обороты и активно развивается.
В настоящее время наночастицы можно разделить на следующие группы:
1. Естественные наночастицы.
2. Полимерные наночастицы
4. Углеродные нанотрубки
5. Неорганические частицы
Для начала, скажем, что сам мир состоит из одних лишь естественных наночастиц в первую очередь. Это молекулы белков, РНК, ДНК, вирусы и т.д. Яркий и очень узнаваемый пример таких частиц – липосомы.
Известно, что заболевания поражают не весь организм, а развиваются в отдельных органах и тканях. Так, например, при раке главные события происходят в месте расположения опухоли, при инфаркте миокарда – в мышце сердца, при дизентерии – в кишечнике. Поэтому и лечение пойдет быстрее и успешнее, если лекарства будут действовать непосредственно в очаге заболевания. Особенно это важно в тех случаях, когда приходится иметь дело с весьма ядовитыми препаратами, которые хорошо лечат саму болезнь, но при этом плохо влияют на другие системы организма. Часто это заставляет отказываться от использования подобных веществ и применять менее эффективные. Конечно же, создать такой способ транспортировки лекарства в организм человека – задача не из простых. Сам человек это сделать не может из-за своих же размеров. Поэтому ученые пришли к выводу, что необходим какой-то носитель, который бы мог их туда доставить. Не всегда это могут быть «изобретения» искусственного происхождения. В современной медицине пока что очень важную роль играют липосомы. Почему? Липиды, входящие в состав мембран, занимают от 20 до 80 процентов их массы. Поэтому при правильном подборе компонентов липосом их введение в организм не вызывает негативных реакций. Липосомы могут слиться с мембранами клеток и стать их частью. Очень важную роль липосомы приобрели в лечении такого заболевания, как онкология. Суть в том, что существует ряд препаратов, весьма эффективно разрушающих злокачественные клетки или тормозящих их рост. Однако применить их в терапевтических целях не всегда возможно из-за их большой токсичности или плохой растворимости в воде. С помощью липосом эти трудности можно преодолеть. Так, в одной лаборатории с помощью липосом вводили мышам, больным лейкемией, нерастворяющиеся препараты и наблюдали замедление роста числа злокачественных клеток. Другие исследователи нагружали липосомы антрациклинами: эти вещества активны против широкого круга злокачественных опухолей, но весьма ядовиты для остальных тканей, особенно для сердечной мышцы, – и вредное воздействие этих соединений значительно снижалось, что, как следствие, позволяло существенно увеличивать их дозы. Формы взаимодействия липосом с клетками, о которых мы говорили вначале, во многом объясняют их способность преодолевать некоторые анатомические барьеры организма, в частности, стенки желудочно-кишечного тракта, Это обстоятельство ученые попытались использовать для лечения сахарного диабета, то есть попробовали вводить инсулин в липосомах через рот. Дело в том, что инсулин больным дают с помощью уколов, что, конечно, и неприятно, и неудобно. В таблетках же инсулин неэффективен, ибо разрушается в желудочно-кишечном тракте раньше, чем попадает «к месту работы» – в кровь. Не выручат ли тут липосомы?
Опыты проводились на крысах, у которых предварительно искусственным путем вызывали сахарный диабет, И оказалось, что введение инсулина в липосомах вызывало снижение сахара в крови животных, ибо липосомы защищают этот гормон от разрушения желудочно-кишечном тракте. В настоящее время исследования в этом направлении продолжаются. Цель их – добиться возможности лечения диабета введением инсулина через рот, что будет большим подарком для больных этой тяжелой болезнью. С течением времени ученые возлагают большие надежды на наномедицину, ведь только с помощью нее мы сможем добиться больших успехов лечении пациентов от неизлечимых на данный момент болезней. Смертность по неизлечимым заболеваниям очень высока. Например, от малярии ежегодно в мире заражаются около 400 миллионов человек. Если больному своевременно не оказать медикаментозную помощь, симптомы (лихорадка, анемия и кома) неминуемо приведут к летальному исходу.
Также нанотехнологии могут предотвратить появление эпидемиологических болезней. (Таблицу о смертности смотреть в приложении 2)
Полимерные наночастицы создают из больших молекул (полимеров), которые имеют ряд преимуществ, определяющих эффективность их применения в прицельной доставке лекарств, — способность не вызывать ответ иммунной системы и разлагаться в организме. Например, те же раковые клетки.
Дендримеры — уникальный класс полимеров с сильно разветвленной структурой. При этом их размер и форма могут быть точно заданы при синтезе. Такие молекулы сейчас получают из меньших молекул, проводя их соединение, задавая характер ветвления. Контролируемые размеры и свойства такой большой молекулы, а также стабильность делают ее вполне пригодной для переноски лекарств.
Когда речь заходит о нанотехнологиях, их почти всегда упоминают в связи с необычными свойствами и прочностью, в триста раз превосходящей сталь. У нанотрубок есть огромный потенциал для диагностики и лечения рака, за разработку которого взялась компания CARBIO. Согласно их плану, лекарства будут надежно изолированы оболочкой, которая препятствует взаимодействию со здоровыми тканями, чтобы «всем весом» атаковать болезнь.
Неорганические наночастицы. К ним относят структуры на основе оксида кремния или различных металлов, использование которых позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств.
Нанороботы. Люди давно мечтали о крошечных роботах, которые перемещаются по обширной системе кровообращения организма, словно космические корабли. Потенциал, казалось, огромен: крошечные роботы могли бы, например, передавать радиоактивные препараты в раковые скопления, выполнять операции внутри тела или очищать сгустки крови, находящиеся глубоко внутри сердца или мозга, менять гены, погружаться прямо в кровоток, выжигать лазером все на своем пути, стирать воспоминания, добавлять навыки. Однако есть одно «но» — такие роботы по большей части являются фантазией писателей. Сейчас концепция переработана, и нынешние наниты уже не похожи на те «космические корабли», о которых велась речь в книгах. Они скорее напоминают обычные наночастицы.
Областей применения наночастиц с каждым днём становиться всё больше. Например, есть много методов борьбы с ожирением, но оптимального решения пока не найдено. Диеты и нагрузки малоэффективны, а расщепление жира при помощи специальных препаратов имеет побочные эффекты, так как действует на весь организм. Действие некоторых препаратов направлено на превращение белого жира в бурый, который намного быстрее переходит в энергию. Эта идея показалась перспективной ученым из США и Китая, которые придумали, как избавиться от побочных эффектов: медикаменты должны действовать локально, и если поместить их прямо на «проблемные зоны», они не принесут вреда.
Для этого разработали пластырь, содержащий наночастицы с «грузом» нужного препарата. Это был препарат Rosi, стимулирующий рецепторы PPARγ (peroxisome proliferator activated receptor gamma), запускающие жиросжигание. Пластырь с десятками крошечных микроигл крепится на кожу, иглы проникают в ткани, разлагаются в течение трех дней и высвобождают препарат в кожу.
Для очистки крови от токсинов используются особые наномагниты. Каждый наномагнит имеет 30 нанометров в диаметре и одного грамма таких магнитов достаточно, чтобы очистить кровь одного человека от конкретного токсина за несколько часов.
Ученые всего мира занимаются поисками материала-основы, который может обеспечивать адекватное окружение для выращивания костной ткани. После того, как кость выращена, эта основа должна разлагаться, либо продолжать быть матрицей, на которой будет функционировать кость. После синтеза кость можно пересадить больному. Обычно для этих целей используют гидроксилапатит. Также, вероятно, многие уже слышали о выращивании «кожи» в химических лабораториях. Ученые этим активно занимаются в сфере тканевой инженерии на данный момент и сейчас уже проходит множество экспериментов, благодаря которым можно будет выращивать, а затем и пересаживать нужные участки кожи на нужные места за короткое время так, чтобы ткань хорошо прижилась к месту. Сфера нанотехнологий активно занимается созданием протезов, которые с легкостью могут заменить различные органы. Именно эта сфера развивается максимально быстро. Протезирование зубов, рук, ног… Ученые стремятся в ближайшем будущем разработать протезы для более важных органов, таких как сердце, легкие, печень, чтобы заменить их полностью при повреждении. Нанотехнологии активно развиваются не только в медицине.
Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Ученые уверяют, что станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.
Одним из главных планов станет полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду: Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье; А во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Люди, работающие в сфере нанотехнологий займутся тем, чтобы станции, выпускающие в окружающую среду вредные отходы перестали это делать, снижая вредные вещества и мусор до минимума. Также планируется убрать из производства долго разлагающиеся материалы и производить те, которые быстро разлагаются.
Не стоит забывать, что нанотехнологии – это не только глобальные и редкие изобретения. Технологиями в этой сфере каждый день пользуется каждый из нас. По крайней мере 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. Нанодатчик вибрации на телефонах – это тоже нанотехнологии. Теннисные мячи теряют упругость, так как их резиновая основа пористая и пропускает газ, вследствие чего они со временем выпускают воздух (именно потому сдуваются шарики). Чтобы решить эту проблему, ученые покрывают резиновую основу нанослоем глиняного композита, что делает мячики герметичнее и позволяет им дольше оставаться на корте. Грязезащитная одежда представляет собой совершенно невидимое грязе- и водоотталкивающее средство для одежды из шерсти, шелка или синтетики. При этом воздухопроницаемость ткани остается прежней, на вид и на ощупь она остается совершенно без изменений.
С применением нанотехнологий ученые создали контактные линзы.
Нанотехнологиям нашлось применение и в еде. Представьте шоколадный коктейль без сахара с усиленным вкусом шоколада. Такой напиток уже есть. Содержащиеся в нем наноразмерные кластеры какао имеют большую площадь поверхности, и как только они сталкиваются с вкусовыми сосочками на языке, то производят громадное вкусовое воздействие. При этом нет необходимости добавлять подсластители.
Оксид алюминия – активный ингредиент в солнцезащитных средствах, поглощающих ультрафиолетовые лучи – распадается при смешивании с другими молекулами, такими как пот на коже. Поместите эти активные ингредиенты в наноэмульсию, и они останутся отделенными от окружающей среды и смогут выполнять свою поглощающую функцию.
Многие белки и витамины не растворяются в воде, а потому их сложно добавлять в еду. Но если разбить их на нанокапли, проблема будет решена. Каноловое масло содержит нанокапли фитостеролов, которые позволяют держать на низком уровне содержание холестерина, а потому можно есть жареных цыплят круглые сутки и при этом не страдать от последствий накопления холестерина в организме.
Существует такая технология, как Silver Nano от компании Samsung Electronics. Она актуальна не только для стиральных машин, но и для холодильников. Эта технология поддерживает санитарию в холодильном агрегате посредством применения последнейших нанотехнологий. Технология Silver Nano предусматривает покрытие бытовой техники Samsung тонким слоем серебра, что в холодильниках продлевает срок хранения продуктов, а в стиральных машинах уничтожает бактерии при стирке даже в холодной воде.
Таким образом, можно сказать, что нанотехнологии присутствуют в нашей жизни ежедневно. Иногда мы это не замечаем, но это и не значит, что они отсутствуют вовсе.
Статистика капиталовложений стран в область нанотехнологий:
Согласно годовому отчету РОСНАНО, в 2018 году выручка от реализации продукции отечественных предприятий наноиндустрии составила 2 трлн рублей и такой же уровень ожидается по итогам 2019 года. Всего мировой рынок наноиндустрии на текущий момент составляет примерно 6 трлн долларов и прирастает на 15% ежегодно.
Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В дальнейшем ученым предстоит решить множество вопросов, связанных с нанонаукой, и постигнуть ее глубочайшие тайны. Но, несмотря на это, нанотехнологии уже оказывают очень серьезное влияние на жизнь современного человека.
Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемИван Цыгальский
Похожие презентации
Презентация на тему: » Нанотехнологии в химии. Содержание Введение Цель Краткая история развития нанотехнологии Определения Методы исследования Технологии получения: 1) «Сверху.» — Транскрипт:
1 Нанотехнологии в химии
2 Содержание Введение Цель Краткая история развития нанотехнологии Определения Методы исследования Технологии получения: 1) «Сверху вниз»«Сверху вниз» 2) «Снизу вверх» «Снизу вверх» а) Химическая конденсация паров Химическая конденсация паров б) Жидкофазное восстановление Жидкофазное восстановление в) Радиолиз Радиолиз Объекты исследования: 1) Углеродные нанотрубки Углеродные нанотрубки 2) Фуллерены Фуллерены 3) Графен Графен 4) Нанокристаллы Нанокристаллы 5) Аэрогель Аэрогель 6) Наноаккумуляторы Наноаккумуляторы 7) Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса Супрамолекулярная химия Применение нанотехнологии в химии Применение нанотехнологии в биологии и медицине Заключение Выводы Использованная литература
4 Цель Цель данной работы – раскрыть понятие нанотехнологии, изучить химические основы этого направления науки. Для достижения цели необходимо решить ряд задач: 1. Изучить историю возникновения нанотехнологии 2. Дать определение нанотехнологии 3. Определить область нанотехнологии 4. Изучить основные задачи нанотехнологии 5. Рассмотреть основные технологии получения нанообъектов 6. Изучить применении нанотехнологии в химии, биологии, медицине 7. Определить значение химии в процессе развития нанотехнологии
5 Краткая история развития нанотехнологии Впервые это научное направление обозначил Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман в своей лекции с образным названием «внизу полным-полно места», прочитанной в 1969 году, в которой он обосновал практически неограниченные перспективы материалов и устройств, построенных на частицах с размерами, соизмеримыми с размерами единичных атомов или молекул, а интенсивное развитие этого направления уже в настоящее время привело к целому ряду открытий в естествознании и технологии. В 1983 году один из пионеров наноразмерных компьютеров Ф. Картер предсказал, что микроэлектронные интегральные схемы пересекут нанометровую границу около 2020 года. Однако начало практической нанотехнологии было ознаменовано изобретением в 1982 году сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Так, с помощью СТМ оказалось возможным перемещение индивидуальных атомов и молекулярных фрагментов по поверхности подложки в заранее определенные места.
8 Технологии получения Технологии, используемые для этого, можно грубо разделить на две части. В ряде случаев нанообъекты можно получать из большой заготовки, путем удаления лишнего материала. Такие технологии иногда называют «сверху вниз». Примером таких технологий являются применение тонкого перемола (сухого и тонкого) материала, обкалывание, отпиливание и т.д. Второй вид, называемый технологиями «снизу вверх», подразумевает получение объектов из отдельных атомов, например проведение в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ (различные типы реакций: гидролиз, окисление, восстановление, нейтрализацию); методы молекулярно-лучевой эпитаксии через трафарет, самосборка за счет поверхностной диффузии, сборка нужной конфигурации из отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Для решения ряда проблем – электроники, биологии, химии – больших размеров объектов не требуется, напротив, уменьшение размеров в электронике не только позволило решить те же самые задачи, но и значительно улучшить практически все характеристики изделий, причем в ряде областей науки и техники уменьшение размеров является необходимым условием решения проблем.
9 «Сверху вниз» Это в основном физические методы получения наноматериалов: Плазменное напыление: плазменное, анодное, магнетронное и т.д. Ионно-лучевая эпитаксия Газофазное компактирование Методы лазерного испарения Контролируемая кристаллизация Диспергирование и измельчение Пластическая деформация Например, в установке плазменного осаждения в зону плазмы вместе с инертным газом – носителем вводятся соединения металла. В зоне плазмы контактируют с органическим мономером и образуют стабилизированные полимером наночастицы оксидов, нитридов, карбидов металла. При газофазном получении наноматериалов частицы металлов из тигля – испарителя направляются на фильтр, с которого они удаляются потоком газа. В результате компактирования – укрупнения наночастиц возможно серийное получение нанопористых материалов. В случае использования лазерного испарения для нанесения покрытия на различные частицы используются лазеры, работающие в импульсном или непрерывном режимах. При этом лазерный луч высокой интенсивности падает на металлический стержень, вызывая испарение атомов с поверхности металла, которые уносятся потоком гелия через сопла. Расширение этого потока в вакуум приводит к его охлаждению и образованию кластеров атомов (наночастиц) металла. Наноматериалы можно получать и модернизированным методом Вернейля, когда сверхлегкий порошок («пудра») обрабатываемого материала пропускается через факел из горючего газа (водородно- кислородное пламя), или плазму безэлектродного высокочастотного или электродного разрядов. В пламене образуются наночастицы оксидов металлов, которые в виде порошка ( 50 нм) осаждаются на охлаждаемой подложке. На базе такой технологии уже получены твердые покрытия, резко увеличивающие износостойкость режущих поверхностей, их жаростойкость и коррозионную устойчивость.
10 «Снизу вверх» К основным химическим методам получения наноматериалов относятся следующие: Химическая конденсация паров Жидкофазное восстановление Радиолиз Матричный синтез Химическая конденсация паров. На начальном этапе исходное вещество испаряют, применяя подходящие методы нагрева. Пары вещества разбавляют большим избытком потока инертного газа. Обычно используют аргон или ксенон. Полученную парогазовую смесь направляют на поверхность образа (положку), охлажденную до низких температур. Формирование наночастиц на поверхности подложки является неравновесным процессом и зависит от ряда факторов: температуры подложки, скорости конденсации и т.д. получение наночастиц методом конденсации нескольких веществ на охлаждаемой поверхности позволяет легко вводить в их состав различные добавки, а в процессе контролируемого нагрева, увеличивая подвижность наночастиц, осуществлять ряд новых и необычных синтезов.
11 Жидкофазное восстановление Жидкофазное восстановление. Химические восстановление зависит как от природы пары восстановитель- окислитель, так и от их концентрации, pH среды, температуры, свойств растворителя. В качестве восстановителей ионов металлов чаще всего используют – борогидриды (например. NaBH 4 ), алюмогидриды, соли щавелевой и винной кислот, формальдегид. Наночастицы серебра (Ag) размером менее 5 нм получены восстановлением азотнокислого серебра (AgNO 3 ) борогидридом натрия (NaBH 4 ) при смешивании соответствующих растворов в определенном температурном режиме: Перспективной разновидностью вышеприведенного метода является электрохимическое восстановление. Электрохимическое восстановление металлов позволяет, изменяя параметры электродных процессов, в широких пределах варьировать свойства получаемых нанокластеров. Например, при катодном восстановлении металлов: На платиновых катодах могут образовываться сферические наночастицы металлов, а на катодах из алюминия формируются наноразмерные пленки. Для контроля процессов формирования и стабилизации наночастиц используют молекулы органических веществ больших размеров – макромолекулы. Их можно рассматривать как нанореакторы, позволяющие синтезировать наночастицы требуемых размеров и формы. Макромолекулы – органические молекулы с высокой молекулярной массой, объемной и разветвленной структурой, наличием активных концевых групп. Примером восстановления ионов металлов в нанореакторах с макромолекулами является получение наночастиц золота из водного раствора золотохлористоводородной кислоты HAuCl 4 : Восстановитель – борогидрит натрия, макромолекула – полиамидоамин с концевыми первичными и третичными аминогруппами. При контролируемом синтезе получены наночастицы золота размером от 2 до 6 нм различной формы.
12 Радиолиз Радиолиз. Синтез наночастиц при радиолизе заключается в воздействии на систему частиц и излучений высоких энергий, более 100 эВ. Вариантом радиолиза является фотолиз с энергиями облучения примерно 60 эВ. При радиолизе в системах генерируются свободные электроны и радикалы. Так, в водных растворах при облучении из молекулы воды получаются гидратированные электроны и радикалы водорода и гидроксила: Электроны и радикалы при взаимодействии с исходным веществом образуют наночастицы. Радиолиз имеет ряд существенных преимуществ перед химическим восстановлением. Радиолиз возможен как в жидких, так и в твердых системах в широком температурном интервале; получаемые наночастицы имеют существенно меньше примесей других веществ и меньший разброс по размерам. Соответственно, качество получаемых наноматериалов повышается. С использованием радиолиза получены нанокомпозиты, состоящие из нескольких металлов. Например, наносистемы никель-серебро с диаметром 2-4 нм; биметаллические частицы Au-Ni размером 2,5 нм, нанесенные на аморфный углерод; триметаллические наночастицы Pd-Au-Ag. Образующиеся многослойные нанокластерные материалы предполагается использовать для фемтосекундных электронных устройств нового поколения.
13 Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. В ряде работ используется следующая классификация объектов нанотехнологии: Углеродные нанотрубки Фуллерены Графен Нанокристаллы Аэрогель Наноаккумуляторы Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса И т.д. Но необходимо помнить, что деление объектов весьма условно. Объекты исследования
14 Углеродные нанотрубки Это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Возможные применения нанотрубок: Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы. Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы. Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках. Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки. Миниатюрные датчики для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
15 Фуллерены Фуллерены, бакиболы или букиболы молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Области применения: Аккумуляторы и электрические батареи Добавки для получения искусственных алмазов методом высокого давления(выход алмазов увеличивается на 30 %) Создание новых лекарств Огнезащитные краски Изготовление солнечных элементов Химические свойства фуллеренов: К каждой такой молекуле можно привить другие атомы и молекулы. Можно поместить чужеродный атом в центральную полость такой молекулы как в суперпрочный контейнер. Раскрыв внутренние связи (высоким давлением, интенсивным освещением и т.п.), можно соединить две фуллереновые молекулы в димер. водный раствор C 60 HyFn
16 Графен Графен (англ. graphene) двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Получение: Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит. Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и,меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита. Применение: Транзисторы с базовой толщиной до 10 нм Очень чувствительные сенсоры для обнаружения отдельных молекул химических веществ Изготовление электродов в ионисторах Новый тип светодиодов (LEC)
17 Нанокристаллы Идеальный нанокристалл это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее это математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл (кристалл) является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела. Реальный нанокристалл всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство закономерное положение атомов в решётке. Основной отличительный признак свойств кристаллов в том числе и нанокристаллов их анизотропия, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных (жидкостях, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Применение: 1. Активные элементы элекролюминисцентных панелей 2. Флуоресцентные маркеры различных биологических объектов 3. Нанокристаллические солнечные батареи
19 Наноаккумуляторы – это аккумуляторы, использующие технологию нанопластин (менее 100 нм). Для сравнения, традиционные литиево- ионная технология использующая такие материалы, как оксиды лития с кобальтом или марганцем, чьи частицы имеют размер 5-20 мкм. Устройство: Анод – обычно либо графит, либо сердечник из нержавеющий стали, покрытый нанослоем кремния. Катод Электролит Преимущества: 1)Более быстрое время зарядки аккумулятора, чем у литиево-ионных аналогов. 2)Более сильное создаваемое напряжение, и значительно увеличенная плотность заряда. 3)Меньший вес 4)Увеличенный срок эксплуатации
20 Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса Эффект лотоса эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос и других растений, как например настурция и тростник обыкновенный. Только с изобретением электронного микроскопа секрет лотоса стал известен. Его раскрыл немецкий биолог Вильгельм Бартлотт в 1975 году. Все дело в микроскопических бугорках, которыми покрыты листья. А бугорки, в свою очередь, покрыты еще более мелкими «нановолосиками». Капля воды, попадая на такую бугристую поверхность, не может равномерно расположиться на ней, т.к. этому мешают силы поверхностного натяжения. Поэтому капли скатываются с поверхности листа, не оставляя следа и смывая грязь, пыль и бактерии. Ученые стремятся создать супергидрофобный материал с использованием нанотехнологий. Область применения: 1.Лаки,краски 2. Специальные покрытия стен высотных зданий 3. Незапотевающие окна Эффект лотоса
21 Супрамолекулярная химия Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия (Supramolecular chemistry) междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. Объекты супрамолекулярной химии супрамолекулярные ансамбли, строящиеся самопроизвольно из комплементарных, т. е. имеющих геометрическое и химическое соответствие фрагментов, подобно самопроизвольной сборке сложнейших пространственных структур в живой клетке. Одной из фундаментальных проблем современной химии является направленное конструирование таких систем, создание из молекулярных «строительных блоков» высокоупорядоченных супрамолекулярных соединений с заданной структурой и свойствами. Супрамолекулярный комплекс иона хлора
22 Применение нанотехнологии в химии Получение наноматериалов, содержащих неорганические кластеры, образованные чистыми металлами, сплавами металлов, состоящих из элементов переходных групп, оксидами, карбидами и сульфидами металлов, а также углеродными и органическими молекулярными кластерами. Получение материалов, представляющих собой молекулярное сито с точно заданными размерами пор. К подобным материалам в настоящее время относятся нанокрасталлы ситаллов, гидроксилапатита, пористый кремний и т.д. Получение нанозамкнутых атомных оболочек, в первую очередь углеродных, типа фуллеренов и их производных: нанотрубок разного строения, диаметра и хиральности. Получение пленок, в которых наноразмеры фиксируются, создаются с одном направлении. Это могут быть металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки толщиной в несколько атомных молекулярных слоев. Получение наноразмерных катализаторов. Данные катализаторы обеспечивают высокую избирательную способность и высокий выход продуктов реакций. Это достигается изменением функциональных свойств поверхности катализатора, её элементного состава или числа атомов в отдельных наночастицах катализатора.
23 Применение нанотехнологии в медицине и биологии Нанотехнология дает возможность детально изучать химические процессы на молекулярном уровне, процессы ионного обмена клетки с окружением, величину электрического тока в нервных волокнах и т.д. в первую очередь это относится к изучению химических процессов на поверхности и внутри живой клетки. Наночастицы могут быть использованы для разработки эффективных методов доставки лекарственных препаратов внутрь клеток. Для этого учеными были синтезированы двухслойные наночастицы, названные «наноснарядами». Задачей было доставить токсин внутрь раковой опухоли и тем самым уничтожить её. Во внешней оболочке находится препарат, вызывающий коллапс кровеносных сосудов, что предотвращает распространения токсина по всему организму, а в ядре наночастицы должен содержаться токсин, убивающий раковую клетку. Таким образом, внешняя оболочка наночастицы рассасывается, выпускает лекарство, сокращающее сосуды, в то время как остальные наночастицы проникают через поры в мембранах раковых клеток, где вторая оболочка выпускает токсин, убивающий раковую клетку. Нанотехнология позволяет создать бисовместимые поверхности контакта, открывающие новые области, связанные с имплантами и использованием искусственных органов. Это утверждение достаточно полно подтверждается применением частиц аморфного гидроксилапатита в имплантологии костной ткани.
24 Заключение Химия играет большую роль в решении наиболее актуальных проблем современного человечества. К их числу относятся: 1) синтез новых веществ и композиций с заданными свойствами, необходимых для решения различных технических задач; 2) увеличение эффективности искусственных удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственной продукции и синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья; 3) разработка и создание новых источников энергии; 4) охрана окружающей среды; 5) выяснение механизма биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях; 6) освоение океанических источников сырья. В последние годы много говорят о нанотехнологиях. И, конечно, ключевую роль в развитии нанотехнологии играет химия. Технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. В настоящее время это весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук.
25 Выводы 1)Изучили историю возникновения нанотехнологии. 2)Дали ей определение. 3)Определили область нанотехнологии. 4)Изучили основные задачи нанотехнологии. 5)Рассмотрели основные технологии получения нанообъектов. 6)Изучили применении нанотехнологии в химии, биологии, медицине. 7)Определили значение химии в процессе развития нанотехнологии. В процессе исследования мы решили ряд поставленных задач: