Нанотехнология как основное стратегическое направление развития человеческой деятельности

Нанотехнология как основное стратегическое направление развития человеческой деятельности в XXI веке. Проблемное поле нанохимии.

Ключевые вопросы лекции ¢ ¢ ¢ ¢ Наноразмерные объекты Нанонаука и нанотехнология Принципы сверху вниз и снизу вверх Естественные и искусственные нанообъекты, наноструктуры, нанотехнологии Наноструктуры – особое фазовое состояние вещества Перспективы применения нанотехнологий в различных областях человеческой деятельности Проблемное поле нанохимии Кластеры, наночастицы, квантовые точки

There is a plenty of room at the bottom! ¢ Ричард Фейнман, 1959 г.

Нано – это сколько? нано (от греческого нанос – карлик, низкорослый) = 10– 9 ¢ мезо = 10– 7 ¢ микро = 10– 6 ¢

Наноразмерные объекты Наночастицы ¢ Нанопленки ¢ Нанотрубки ¢ Квантовые точки (искусственные атомы) ¢ Наноструктурированные материалы ¢ Нанопористые материалы ¢

Что такое нанонаука? ¢ Нанонаука – совокупность знаний о свойствах вещества в наноразмерном масштабе. Центральная тема - как масштаб изменяет свойства веществ и материалов.

Что такое нанотехнология? ¢ Нанотехнология –умение целенаправленно создавать объекты с заранее заданным составом, размерами, структурой в диапазоне приблизительно от 1 до 100 нм. Набор методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами или молекулами и позволяющих регулировать состав и структуру вещества в масштабах 1 -100 нм.

Почему нанотехнология вызывает такой интерес? ¢ Нанотехнология дает возможность получать принципиально новые устройства и материалы, характеристики которых намного превосходят достигнутый сегодня уровень.

Почему нанотехнология вызывает такой интерес? ¢ Нанотехнология и нанонаука в целом – широкие междисциплинарные области, в которых работают специалисты по физике, химии, биологии, медицине, компьютерной технике, наукам о земле и т. д. , что дает совершенно новые возможности и перспективы развития человеческого познания.

Почему нанотехнология вызывает такой интерес? ¢ Нанопроблематика выявила много пробелов в фундаментальных и прикладных областях знания, что способствовало концентрации внимания мирового научнотехнического сообщества на этих вопросах и поисках их решения.

Эрик Дрекслер: “Замены нанотехнологиям не предвидится” ¢ Пока нет и не предвидится такой технологии, которая могла бы заменить мощные методы производства атомарной точности. Разнообразие высококачественной продукции, которую можно получить с их помощью, необычайно велико, так же как и шансы уменьшить затраты на производство, потребление ресурсов и количество вредных выбросов в окружающую среду.

Принципы создания наноструктур ¢ Снизу вверх (bottom-up), может быть реализован через химический синтез или сборку с использованием АСМ. Важное понятие – самоорганизация, самосборка (self-assembly) ¢ Сверху вниз (top-down), может быть реализован через миниатюризацию объектов или обеспечение наноразмерной пористости материала

Два пути к наноматериалам

Примеры естественных нанотехнологий ¢ ¢ Внутренний компас магнитотактических бактерий Растения, способные извлекать золото из земли не просто в виде ионов, а восстанавливая эти ионы до мельчайших наночастиц золота (4 -5 нм) Сухая адгезия лапок геккона Супергидрофобная поверхность листа лотоса

Магнитотактические бактерии ¢ Их внутренний компас представляет собой цепочку магнитных наночастиц и направляет движение бактерии в магнитных полях. Каждая частица имеет размер, соответствующий отдельному магнитному домену. Ориентация цепочки под действием магнитного поля (при минимальной массе материала) обеспечивает бактерии возможность располагаться вдоль силовых линий поля.

Нанотехнологии до нанореволюции ¢ ¢ ¢ ¢ Фотография Катализ Микроэлектроника Порошковая металлургия Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния Интенсивная пластическая деформация Технология нанесения тонких пленок и покрытий

Наноструктуры – особое фазовое состояние вещества Проявление квантово-размерных эффектов ¢ Волновая природа процессов переноса ¢ Доминирующая роль поверхности раздела ¢ Предсказуемое изменение физических и химических свойств с уменьшением размера ¢

Примеры применения нанотехнологий ¢ ¢ новые поколения химических и биологических сенсоров с мономолекулярными покрытиями; наноразмерные переключатели, позволяющие увеличить память компьютеров в миллион раз; миниатюрные медицинские зонды, не повреждающие ткани организма; принципиально новые системы введения лекарств и даже генов в живые организмы;

Примеры применения нанотехнологий ¢ ¢ ¢ керамические, полимерные, металлические материалы с наноструктурой; полимеры, упроченные наночастицами; наноструктурированные силикаты и полимеры, адсорбирующие многие вещества, загрязняющие окружающую среду.

Основные междисциплинарные проблемы ¢ ¢ ¢ новые свойства наноструктур (особенно при комнатной температуре); отличие свойств “двумерных состояний” вещества (поверхностей раздела) и объемных состояний, возможности его использования в новых технологиях; процессы преобразования поверхности и перегруппировки атомов в нанокристаллах и нановолокнах;

Основные междисциплинарные проблемы ¢ ¢ синтез и очистка углеродных трубок с одинаковой длиной и спиральностью, воспроизводимость при изготовлении гетеропереходов в одномерных наноструктурах; изучение свойств и строения отдельных молекул, сложных полимеров, надмолекулярных и биологических систем; развитие техники самосборки достаточно сложных устройств; разработка экономически выгодных способов производства наноструктур с регулируемыми параметрами (размером, формой, составом, поверхностным состоянием).

Сферы человеческой деятельности, в которых применение нанотехнологий становится всеобъемлющим ¢ ¢ ¢ ¢ Производство материалов Электроника и вычислительная техника Биология и медицина Аэронавтика и космические исследования Энергетика и химическая промышленность Охрана окружающей среды Национальная безопасность

Примеры промышленно производимых наноматериалов ¢ ¢ ¢ ¢ неорганические кластеры металлов, оксидов, карбидов и сульфидов, углерода; молекулярные сита с точно заданным размером пор; углеродные нанотрубки разных диаметров и спиральности, углеродные замкнутые оболочки (фуллерены); пленки толщиной в несколько молекулярных слоев; катализаторы, наноразмерные хотя бы в одном направлении; материалы для электрохимических батарей с нанометровыми порами; материалы с высокой удельной поверхностью, используемые в качестве сорбентов или носителей катализаторов.

Применение нанотехнологий в материаловедении и производстве материалов ¢ ¢ изготовление наноструктурированных керамических и металлических изделий с точно определенными параметрами, не требующих дальнейшей механической обработки; использование наночастиц для цветной печати, превосходящей по качеству существующие способы; изготовление новых типов чипов (кристаллов с электронными схемами) с более высоким уровнем сложности и функциональных характеристик; разработка новых стандартов измерений, пригодных для использования в нанотехнологии.

Преимущества использования нанотехнологий в электронике и компьютерной технике ¢ ¢ создание экономичных наноструктурных микропроцессоров с низким энергопотреблением и значительно более высокой производительностью; использование более высоких частоты передачи и частоты оптического диапазона; создание запоминающих устройства малого размера с мультитерабитным объемом памяти; производство интегральных схем с датчиками на наноструктурах, позволяющих обрабатывать большие объемы информации при очень низком энергопотреблении.

Перспективы использования нанотехнологий в биологии и медицине ¢ ¢ ¢ повышение эффективности анализа и расшифровки генетических кодов, определения индивидуальных генетических особенностей организма разработка новых методов доставки лекарств к больным органам, увеличение степени их лечебного действия развитие аналитических методик, разработка сенсорных систем, в том числе работающих внутри живых организмов непосредственное исследование химических, биологических и механических свойств клетки, клеточных патологий разработка дистанционных методов диагностики, профилактики и лечения создание новых биосовместимых материалов с улучшенными характеристиками, не отторгаемых организмом, искусственных тканей и органов на их основе.

Применение нанотехнологий в аэронавтике и космических исследованиях ¢ ¢ создание высококачественной и стойкой к воздействию радиации вычислительной техники с низким энергопотреблением, создание наноаппаратуры для миниатюрных космических аппаратов, нанодатчиков и наноэлектронных устройств для авиационной и космической техники, разработка термоизоляционных и износостойких покрытий на основе наноструктурированных материалов исследование и производство в условиях космоса (отсутствие гравитации, высокий вакуум) таких наноструктур и наносистем, которые нельзя получить на Земле.

Применение нанотехнологий в энергетике и химической промышленности ¢ ¢ ¢ новые методы получения, аккумулирования и эффективного использования энергии, в частности, солнечной энергии разработка легких и прочных конструкционных материалов использование низкоэнергетических реакций для разложения ядовитых и вредных веществ использование катализаторов на основе наночастиц, обладающих высокой специфичностью к конкретным реакциям. использование пористых веществ с точно определенными размерами пор и высокой удельной поверхностью в устройствах накопления энергии, химического разделения веществ или электрохимических элементах, безопасных газопоглощающих элементах

Применение нанотехнологий в охране окружающей среды ¢ ¢ ¢ использование наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств; создание новых чистых технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, технологий переработки мусора и очистки загрязненных водоемов; cокращение отходов производства и повышение энергетического к. п. д. за счет разработки новых методов катализа с использованием наноразмерных реагентов; использование нанокомпозитных материалов с повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы и минимальным воздействием на окружающую среду; применение наноструктурных материалов в процессах переработки и обезвреживания отходов (окисление органических загрязнений, связывание атомов тяжелых металлов и т. п. )

Применение нанотехнологий для национальной безопасности ¢ ¢ ¢ исследования в области информационных технологий, разработка сложных систем виртуальной реальности, различных датчиков химического, биологического и ядерного оружия, создание более легких и безопасных транспортных систем, в том числе беспилотных, защитной одежды, разработка новых методов криминалистической экспертизы, печати и защиты ценных бумаг.

N – число атомов в кластере ¢ Свойства химического элемента зависят не только от количества валентных электронов и числа электронных оболочек, но и от количества атомов в частице данного элемента

Что такое нанохимия? ¢ Нанохимия – область знания, исследующая получение, свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, по крайней мере в одном из направлений имеющих размер менее 10 нм. Основная черта – использование синтетических химических подходов для получения наномасштабных строительных блоков различного размера, формы и состава, поверхностной структуры, заряда и функциональности и соединение их в более сложные структуры, способные выполнять разнообразные функции и предназначенные для определенных целей.

Деление ультрадисперсных объектов по геометрическому признаку ¢ 1. Трехмерные (объемные) наночастицы, у которых все три размера (d 1, d 2, d 3) находятся в наноинтервале (коллоидные растворы (золи), микроэмульсии, зародышевые частицы, образующиеся при фазовых превращениях первого рода (кристаллы, капли, газовые пузырьки), сферические мицеллы ПАВ в водных и неводных средах).

Деление ультрадисперсных объектов по геометрическому признаку ¢ 2. Двумерные наносистемы, у которых только один размер (толщина) находится в нанодиапазоне, а два других могут быть сколь угодно велики (тонкие пленки и слои, жидкие пленки, адсорбированные моно- и полислои на поверхности раздела фаз, двумерные пластинчатые мицеллы ПАВ).

Деление ультрадисперсных объектов по геометрическому признаку ¢ 3. Одномерные наночастицы, у которых поперечные размеры находятся в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика (тонкие волокна, очень тонкие капилляры и поры, цилиндрические мицеллы ПАВ, нанотрубки, линия смачивания, то есть линия трехфазного контакта, разделяющая твердое тело, жидкость и газ).

В чем проявляется междисциплинарность нанохимии? ¢ Развитие и использование различных физических методов исследования, особенно таких, которые позволяют не только определять размеры частиц, но и исследовать динамику их свойств во время химических реакций ¢ Использование для синтеза наноструктур таких биологических объектов, как ДНК, РНК, полипептиды и белки, которые могут быть присоединены к самым разным структурам, в том числе и неорганическим.

Два аспекта нанохимии ¢ Изучение особенностей химических свойств и реакционной способности частиц, состоящих из небольшого числа атомов. ¢ Применение химических методов для получения, модификации, стабилизации изолированных наночастиц и направленной их самосборки в более сложные структуры.

Кластер ¢ группа из небольшого (счетного) переменного числа взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов). Обычно различают свободные кластеры и стабилизированные, в последнем случае в структуре кластера можно выделить тело кластера (то есть собственно группу взаимодействующих частиц рассматриваемого типа) и стабилизирующие элементы, например, оболочку из лигандов.

Наночастица ¢ термин для более крупных агрегатов, обычно при описании свойств металлов и углерода

Квантовая точка ¢ Термин для описания частиц полупроводников (хотя встречается и при рассмотрении металлических частиц), где квантовые ограничения движения носителей зарядов или экситонов влияют на свойства.

Нанообъекты с квантовым ограничением ¢ ¢ ¢ в одном направлении – поверхность, состоящая из квантовых ям (quantum wells), в двух направлениях – квантовая нить или квантовая проволока (quantum wire), в трех направлениях - квантовая точка (quantum dot). Квантовые точки – 0 мерные объекты, их называют также искусственными атомами (artificial atoms) или суператомами (superatoms)

Схема строения суператомов (внизу показана плотность состояний)

Металлическая наночастица ¢ находящийся в среде из легких атомов объект сфероидальной формы, состоящий из 10 -1000 атомов, имеющий диаметр 1 -10 нм и соотношение между количеством поверхностных частиц и частиц в объеме равное и больше единицы (Nпов. /Nобъемн. ≥ 1).

Матрица ¢ структурированная каким-либо образом среда, в которой закреплены частицы, то есть “носитель” или “держатель” частиц. ¢ за счет эффекта репликации матрица определяет и задает свойства растущей в ней или на ней частицы или структуры. Это используется в так называемом матричном или темплатном синтезе (от англ. template – образец, шаблон).

Доля поверхностных атомов s от общего числа атомов в частице N s=4/N 1/3. ¢ При N=103 s=0. 4. ¢ С ростом N эта величина быстро уменьшается и уже при N=106 составляет всего 0. 04. ¢

Магические числа ¢ Один набор близок к совокупности чисел 2 n 2 электронов (n – главное квантовое число) в замкнутой (полностью закрытой) электронной оболочке, характерен для кластеров щелочных металлов (натрия и калия) и состоит из следующих чисел: 2, 8, 20, 40, 50, 98, 138, 196, 260, 344, 440, 558. ¢ Другой набор характерен для кластеров переходных металлов и определяется плотностью упаковки в икосаэдрической структуре. Число атомов в слое 10 m 2+2 (m – число слоёв). Другой вариант записи: N=1/3(10 n 3+15 n 2+11 n+3) Число атомов в кластере 13, 55, 147, 309, 561, 923. . .

Икосаэдр ¢ Правильный многогранник с 12 вершинами и 20 гранями. Каждая грань – правильный треугольник, в вершине которого сходятся 5 граней

Модели строения наночастиц ¢ ¢ Луковичная модель – наслаивание атомных концентрических слоев в сферической частице. Число слоев для частиц указанных выше размеров невелико (710). Материалы, состоящие из таких частиц, как правило, рентгеноаморфны. Модель сферической частицы с зачатками признаков кристаллической упаковки. На рентгенограммах присутствует, как правило, один размытый пик из набора, характерного для данной кристаллической модификации. Металлополиэдр – типичным примером являются гигантские кластеры платины, палладия и золота. Кластерная модель – частица состоит из нескольких небольших металлополиэдров, связанных мостиковыми лигандами из более легких атомов

Теория электронного строения наночастиц ¢ создана японским ученым К. Кубо (1962). Основное отличие от компактных металлов состоит в дискретности одноэлектронных уровней. От кластерных молекул они отличаются тем, что у них отсутствует энергетическая щель (HOMO-LUMO separation).

HOMO-LUMO separation ¢ разница энергии между высшей заселенной молекулярной орбиталью (HOMO - Нigh Occupied Molecular Orbital) и низшей незаселенной (LUMO - Lowest Unoccupied Molecular Orbital)

Наночастицы ¢ ¢ Являются системами, обладающими избыточной энергией и высокой химической активностью. Их можно рассматривать как специфические псевдомолекулы, отличающиеся от истинных молекул непостоянством состава. По аналогии с органическими макромолекулами здесь тоже можно говорить об организации вещества по схеме “остов (радикал, макрорадикал) – функциональные группы”. Для наночастиц обычные представления химии, такие как “состав-свойства”, “структура -функция” дополняются понятиями размера и самоорганизации.

состав→ (размер)→свойства (самоорганизация)→структура→функция

Темы курса ¢ Нанотехнология как основное стратегическое направление развития человеческой деятельности в XXI веке. Проблемное поле нанохимии, ее предмет и задачи, объекты изучения: кластеры, наночастицы, наноструктуры, структуры с квантоворазмерным эффектом (квантовые ямы, квантовые нити, квантовые точки).

Темы курса ¢ Особые свойства вещества в высокодисперсном состоянии. Размерные эффекты, условия их возникновения. Физические явления, связанные с проявлением размерных эффектов. Размерные эффекты в химии. Термодинамические и кинетические особенности поведения наночастиц. Фазовый размерный эффект. Каталитические свойства наночастиц металлов и полупроводников.

Темы курса ¢ Методы получения вещества в ультрадисперсном состоянии. Физические методы. Химические методы (криохимическией синтез, осаждение, твердофазное восстановление, термическое разложение, химическое восстановление в жидкой фазе). Синтез в гетерофазных системах. Радиационно-химические методы. Возможности контроля размера и формы частиц. Получение частиц типа ядро-оболочка и полых частиц.

Темы курса ¢ Основные принципы создания ансамблей наночастиц. Формирование одно-, двух-, трехмерных структур. Химическая сборка, молекулярное и ионное наслаивание, темплатный синтез. Самоорганизация наночастиц, использование биомолекул в получении наноструктур. Методы мягкой литографии, перьевой нанолитографии, молекулярно-лучевой эпитаксии.

Темы курса ¢ Исследования по нанохимической проблематике в РБ

Основная литература ¢ ¢ ¢ 1. О. В. Сергеева, С. К. Рахманов. Введение в нанохимию: пособие для студентов химического факультета. Мн. : БГУ. 2009. 2. Г. Б. Сергеев. Нанохимия. М. : Из-во Московского ун-та. 2003. 3. Т. Н. Воробьева, А. И. Кулак. Химия твердого тела. Минск: Из-во БГУ. 2004. 4. И. П. Суздалев. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур, наноматериалов. М. URSS. 2005, 2009. 5. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Нанотехнологии. М. : Техносфера. 2005, 2009. 6. G. A. Ozin, A. C. Arsenault, L. Cademartiri. Nanochemistry. RCS Publishing. 2009.

Дополнительная литература ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ 1. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направлений исследований. Под. ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса, П. Аливисатоса. М. : Мир. 2002. 2. Н. Кобаяси. Введение в нанотехнологию. М. : Бином. 2005. 3. Ю. И. Петров. Кластеры и малые частицы. М. : Наука. 1986 4. С. Г. Губин. Химия кластеров. М. : Наука. 1987. 5. Химические проблемы создания новых материалов и технологий. Минск. Из-во “Университетское”. 1998, 2003, 2008 гг. 6. Выбраныя навуковыя працы Белдзяржунiверсiтэта. Т. V. Хiмiя. Минск. Из-во “Университетское” 2001 г. 7. Нанотехнологии. Наноматерилаы. Наносистемная техника. Мировые достижения – 2008. Сб. под ред. П. П. Мальцева. М. : Техносфера. 2008. 8. И. В. Мелихов. Физико-химическая эволюция твердого вещества. М. : Бином. Лаборатория знаний. 2008. 9. Д. И. Рожонков, В. В. Левшин, Э. Л. Дзидзигури. Наноматериалы. М. : Бином. Лаборатория знаний. 2008. 10. Мансури Г. Али. Принципы нанотехнологии: исследование конденсированных веществ малых систем на молекулярном уровне. М. : Научный мир. 2008. 11. П. А. Витязь, И. А. Свидунович. Основы нанотехнологий и нанометариалов. Мн. : Вышэйшая школа. 2010. 12. Л. И. Гречихин. Наночастицы и нанотехнологии. Мн. : Право и экономика. 2008. 13. В. И. Балабанов. Нанотехнологии: наука будущего. М. : Эксмо. 2009. 14. Л. Фостер. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. М. : Техносфера, 2008. 15. Наноструктурные материалы (под ред. Р. Ханника и А. Линн). М. : Техносфера, 2009. 16. Е. А. Кац. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. М. : URSS: Либроком, 2009. 17. Нанонаука и нанотехнологии: энциклопедия систем жизнеобеспечения (соредакторы Осама О. Аваделькарим, Чуньли Бай, С. П. Капица). М. : Магистр. Пресс: Изд-во ЮНЕСКО: Изд-во EOLSS, 2009.