ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ Румянцева Марина Николаевна roum inorg

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ Румянцева Марина Николаевна roum@inorg. chem. msu. ru 1

ПЛАН КУРСА ЛЕКЦИЙ ОБЩИЙ РАЗДЕЛ : Лекции 1 – 5 Определения, краткое повторение химии, термодинамика поверхностных явлений, агрегация, нуклеация 1. Контрольная работа МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ РАСТВОРА : Лекции 6 - 9 Золь-гель, гидротермальный синтез, криотехнология 2. Контрольная работа МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ ПАРА, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: Лекции 10 – 13 Вакуумная конденсация, CVD, Лазерное, Магнетронное нанесение 3. Контрольная работа Зачет 2

Лекция № 1. ВВЕДЕНИЕ • Предмет курса, основные определения, фундаментальные аспекты. • Дисперсное состояние вещества. • Классификация дисперсных систем по размерности, агрегатному состоянию и структуре. • Наноразмерные системы. Основные характеристики наночастиц и дисперсных систем. • Размерный эффект. • Практические приложения наноструктурных материалов. 3

4

5

Некоторые определения n nanoparticle (IUPAC) Microscopic particle whose size is measured in nanometers, often restricted to so-called nanosized particles (< 100 nm in aerodynamic diameter), also called ultrafine particles. Величина является условной и необходима только для формальной классификации! n размерный эффект проявление свойств, отличных от свойств объемной фазы, при близости размера наночастиц с корреляционным радиусом того или иного физического явления.

(200) (1 -10) (110) [001] Sn. O 2 Rutile (1 -10) (1 -1 -1) (001) [110] Sn. O 2 Rutile 7

Размерный эффект : Rкрит соизмерим с корреляционным радиусом физического явления (длина свободного пробега электронов, размер зародыша, размер магнитного домена и т. д. ) 8

Наночастицы меняют свой цвет

Вклад поверхности 10

Вклад поверхности 11

ИК, Раман спектроскопия Каталитические эффекты, Газовая хроматография Синхротронные методы –XANES, XAS Импеданс Транспорт носителей заряда на постоянном токе 12

ОСОБЕННОСТИ ХИМИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ 1. Особые типы нековалентных взаимодействий Лиофильный / лиофобный (гидрофильный /гидрофобный) Амфифильный (ПАВ) Ван дер Ваальса Водородные связи 2. Исследования и Манипуляции (Техническая зависимость) 3. Особое состояние вещества? ? Незавершенность исследований и теоретического описания 13

Лабильность наносистем: агрегация, самосборка наночастиц 14

Классификация дисперсных систем Размерность Химическая природа Функциональные свойства Морфология Структура 15

Классификация дисперсных систем по размерности O D- нульмерные 1 D – одномерные 2 D – двумерные 3 D – трехмерные Критерий размерности системы : различия в линейных размерах 16

Критерий размерности системы : плотность состояний Двумерные 2 D Одномерные 1 D Нульмерные 0 D

Размерность частиц зависит от условий синтеза !! 18

O D - нульмерные R La = Lb = Lc = 1 -100 nm R>>100 nm • Наночастицы в дендримерах • Квантовые точки • Кластеры в высокодисперсных матрицах (темплатах) 19

Пример O D : капли воды в масле Стабилизатор - ПАВ 20

Нанокластеры металлов , полупроводников в цеолитах, темплатах 21

Классификация наноматериалов по структуре, морфологии Cd. Se Квантовые точки 22

Классификация наноматериалов по структуре, морфологии 23

Одномерные (1 D) наноструктуры R Lc Lc>>La Lb нанонити (nanowires) Lc>La Lb наностержни (nanorods) Lc>>La>Lb наноленты (nanobelts) wires belts 24

Синтез одномерных наноструктур 1. Темплатный синтез в каналах 2. ПЖК механизм 3. Пассивация поверхности 4. Кристаллографиче ская анизотропия 5. Самосборка кластеров 6. Механическая деформация Самоорганизация в направлениях, Ограничение роста изотропных наночастиц (кластеров) в оси перпендикулярных длиннойцепочечные структуры Формирование кристалла по механизму пар – жидкость - кристалл Блокировка с сильной Рост фазы роста определенных граней кристалла путем введения ПАВ кристаллографической анизотропией 25 в реакционную среду

Лазерное нанесение 26

Темплатный синтез 27

Электрохимическое нанесение 28

CVD процесс 29

Классификация наноматериалов по структуре, морфологии ТУБУЛЯРНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ 30

Углеродные нанотрубки

Двумерные (2 D) наноструктуры ПОВЕРХНОСТЬ ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

Пленки Ленгмюра -Блоджетт

Трехмерные (3 D) наноструктуры Нанокомпозиты Трехмерные массивы нанообъектов La Lb Lc = 1 -100 nm R= 1 -100 nm 34

3 D материалы Кластеры металлов и оксидов металлов в биологических и макроциклических молекулах 35

Классификация наноматериалов по структуре, морфологии Микросферы Sn. O 2 : PMMA Microspheres, M. Egashira, Sensor &Actuator 2005

Классификация нанокомпозитов H. Gleiter, Acta Mater. 48, 1 – 29 (2000) 37

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ВЕЩЕСТВА 1. Металлы 2. Оксиды металлов 3. Халькогениды 4. . . 5. . . 6. . . n. Композиты 38

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ СВОЙСТВАМ 1. Материалы для электроники, оптоэлектроники (нано-актюаторы) 2. Сенсоры 3. Катализаторы 4. Полимеры и эластомеры 5. Кристаллы со специальными свойствами 6. Материалы для механотроники и микро-системной техники 7. Композиционные материалы и керамика 8. Мембраны 9. Биосовместимые материалы 10. Органические и гибридные материалы 39

Полупроводниковые материалы: управление шириной запрещенной зоны n n Оптический диапазон 0. 4 -0. 7 мкм ИК телекоммуникации 1. 3 -1. 5 мкм

Коллоидные квантовые точки: зонная структура

Применение КТ: биологические метки n ИК-диапазон n Видимый диапазон

Создание гибридных неорганических – биологических структур 43

Биомедицина: диагностика, лечение заболевания, адресная доставка лекарств

Коллоидные квантовые точки n n Наночастицы полупроводника, покрытые стабилизатором Требования к наночастицам - узкое распределение по размерам - отсутствие агломерации - пассивированные оборванные связи на поверхности n Требования к стабилизатору - объемный “хвост” - прочная связь с поверхностью - сродство к растворителю

Core-shell гетероструктуры Гетеропереходы n n Квантовый выход люминесценции Пространственное разделение носителей заряда

Катализаторы, сенсоры 47

Увеличение поверхности чувствительных материалов 48

Миниатюризация 2000 – 2010 гг Мониторинг воздуха: Мультисенсорные системы - 8 -10 сенсоров, интегрированных в один микроэлектронный чип Чувствительная область – 500 мкм 2 Рабочая температура -20 -350 С Чувствительность - ПДК для основных загрязнителей 49

Платформа «Камина» 50

Применение : Катализ 51

Применение : Катализ Соотношение числа атомов в вершинах, на ребрах и гранях при уменьшении размера частицы 52

Применение : Катализ 53

Применение : Катализ 54

Практические приложения Мотивация для создания наноматериалов 1. Миниатюризация 2. Увеличение поверхности материалов (адсорбенты) 3. Создание гибридных неорганических – биологических структур (биологические метки) 4. Возможность получения новых квантоворазмерных эффектов (оптика, солнечные батареи) 5. Катализ 6. Сенсоры 55

Механические свойства 56

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА 57

ЛИТЕРАТУРА 1. И. П. Суздалев //НАНОТЕХНОЛОГИЯ// Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. Москва 2005 , 589 с 2. Химия привитых поверхностных соединений, под. ред. Г. В. Лисичкина, Москва, 2003, 563 с 3. В. Б. Фенелонов //Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. Новосибирск, 2002. 4. А. А. Елисеев, А. В. Лукашин // Функциональные наноматериалы. Физматлит. 2010 5. А. И. Гусев// Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Физматлит. 2009 58

Темплатный синтез Si. O 2 молекулярные сита • MCM 41 • SBA -15 • KIT 6 3, 1 nm 4. 6 ; 30 nm 7 nm