Nanochimie și nanotehnologie. Nanochimia modernă

După cum sa menționat mai sus, din cauza locației nanolumilor la granițele fizicii clasice și ale mecanicii cuantice, obiectele sale nu mai pot fi considerate ca fiind absolut identice și nedistinse statistic. Toate sunt individuale, iar o nanoparticulă diferă de alta prin compoziție, structură și mulți alți parametri (de exemplu, fulerenele C 60 și C 70). Este imposibil să ignorăm prezența neomogenităților și neregularităților în structura unui obiect și să folosim caracteristici medii, integrale pentru a-l descrie, așa cum este obișnuit în fizica clasică. Particularitatea nanoobiectelor constă în faptul că dimensiunea lor este proporțională cu raza de acțiune a forțelor de interacțiune interatomică, adică. cu distanța la care atomii unui corp trebuie îndepărtați pentru ca interacțiunea lor să nu afecteze într-o măsură vizibilă proprietățile acestuia. Datorită acestei caracteristici, nanocorpii interacționează între ele și cu mediul în mod diferit față de macrocorpii. Știința care studiază proprietățile diferitelor nanostructuri, precum și dezvoltarea de noi metode pentru producerea, studiul și modificarea acestora, se numește nanochimie. Ea studiază pregătirea și proprietățile diferitelor nanosisteme. Nanosisteme reprezintă un ansamblu de corpuri înconjurate de un mediu gazos sau lichid. Astfel de corpuri pot fi clustere și molecule poliatomice, nanopicături și nanocristale. Acestea sunt forme intermediare între atomi și corpuri macroscopice. Dimensiunea sistemelor rămâne în intervalul 0,1-100 nm.

Una dintre sarcinile prioritare ale acestui domeniu de cunoaștere este stabilirea unei relații între dimensiunea unei nanoparticule și proprietățile acesteia. În nanochimie, rolul lui efecte de dimensiune cuantică, provocând o modificare a proprietăților unei substanțe în funcție de dimensiunea particulelor și de numărul de atomi sau molecule din acestea. Rolul efectelor dimensiunii este atât de mare încât se încearcă crearea tabelelor de dependență a proprietăților clusterelor și nanoparticulelor de dimensiunea și geometria lor, similare cu Tabelul periodic. Efectele de dimensiune cuantică determină proprietăți ale materiei precum capacitatea de căldură, conductivitatea electrică, unele proprietăți optice etc.

Modificările caracteristicilor sunt asociate cu două motive principale: o creștere a fracției de suprafață și o modificare a structurii electronice datorită efectelor cuantice. Proprietățile atomilor aflați în apropierea suprafeței diferă de proprietățile atomilor aflați în cea mai mare parte a materialului, prin urmare suprafața unei particule poate fi considerată ca o stare specială a materiei. Cu cât este mai mare fracția de atomi localizați pe suprafață, cu atât mai puternice sunt efectele asociate suprafeței (Fig. 9).

Orez. 9. Modificarea raportului dintre atomii de „suprafață” (1) și cei localizați în volumul materialului (2) în funcție de dimensiunea particulelor.

Particularitățile structurii electronice a nanoobiectelor sunt explicate prin îmbunătățirea proprietăților cuantice asociate cu o scădere a dimensiunii. Proprietățile neobișnuite ale nanostructurilor complică utilizarea lor tehnică banală și, în același timp, deschid perspective tehnice complet neașteptate.

Diferențe semnificative în proprietățile nanoparticulelor încep să apară la dimensiunile particulelor mai mici de 100 nm. Din punct de vedere energetic, o scădere a dimensiunii particulelor duce la o creștere a rolului energiei de suprafață, ceea ce duce la modificări fizice și proprietăți chimice obiecte mici.

Obiecte ale cercetării în nanochimie sunt corpuri cu o astfel de masă încât dimensiunea lor echivalentă (diametrul unei sfere al cărei volum este egal cu volumul corpului) să rămână în nanorange (0,1 - 100 nm). În mod convențional, nanochimia poate fi împărțită în teoretică, experimentală și aplicată (Fig. 10).

Orez. 10. Structura nanochimiei

Nanochimie teoretică dezvoltă metode de calcul al comportamentului nanocorpilor, ținând cont de asemenea parametri ai stării particulelor precum coordonatele și vitezele spațiale, masa, caracteristicile compoziției, forma și structura fiecărei nanoparticule.

Nanochimie experimentală se dezvoltă în trei direcții. În primul, ceea ce este destul de în concordanță cu secțiunea Chimie analitică, sunt dezvoltate și utilizate metode fizico-chimice ultrasensibile, făcând posibilă aprecierea structurii moleculelor și clusterelor, inclusiv a zeci și sute de atomi. Al doilea Direcția studiază fenomene sub influențe locale (locale) electrice, magnetice sau mecanice asupra nanocorpilor, implementate cu ajutorul nanosondelor și manipulatoarelor speciale. Scopul este de a studia interacțiunea moleculelor individuale de gaz cu nanocorpi și nanocorpi între ele, pentru a identifica posibilitatea unor rearanjamente interne fără distrugerea moleculelor și clusterelor și dezintegrarea acestora. Această direcție este, de asemenea, de interes în posibilitatea de „asamblare atomică” a unui nanocorp de dimensiunea dorită. aspect când atomii se deplasează de-a lungul suprafeței substratului (materialul principal a cărui suprafață este supusă tipuri variate prelucrare, având ca rezultat formarea de straturi cu proprietăți noi sau creșterea unui film dintr-un alt material). În al treilea direcțiile, se determină caracteristicile macrocinetice ale colectivelor de nanocorpi și funcțiile lor de distribuție asupra parametrilor de stare.

Nanochimie aplicată cuprinde: dezvoltarea fundamentelor teoretice pentru utilizarea nanosistemelor în inginerie și nanotehnologie, metode de predicție a dezvoltării unor nanosisteme specifice în condițiile utilizării acestora, precum și căutarea unor metode optime de funcționare ( nanochimie tehnică); crearea de modele teoretice ale comportamentului nanosistemelor în timpul sintezei nanomaterialelor și căutarea condițiilor optime pentru producerea acestora ( nanochimie sintetică); studiul nanosistemelor biologice și crearea de metode de utilizare a nanosistemelor în scopuri medicinale (nanochimie medicală); dezvoltarea de modele teoretice de formare și migrare a nanoparticulelor în mediu și metode de purificare a apelor naturale sau a aerului din nanoparticule ( nanochimie ecologică).

Vorbind despre dimensiunile obiectelor de studiu, este necesar să se țină seama de faptul că limitele intervalului la scară nanometrică în chimie sunt arbitrare. Proprietățile unui corp sunt sensibile în diferite grade la dimensiunea acestuia. Unele dintre proprietăți își pierd specificitatea la dimensiuni mai mari de 10 nm, altele - mai mari de 100 nm. Prin urmare, pentru a exclude mai puține proprietăți din considerare, limita superioară a nanointervalului este considerată a fi 100 nm.

În acest interval, orice proprietate depinde în mod specific de masa și volumul acesteia. Prin urmare, obiectul nanochimiei poate fi considerat obiecte care au interacțiuni fiecare atom cu toți ceilalți atomi sunt semnificativi.

Obiectele nanochimice pot fi clasificate după diverse criterii. De exemplu, conform starea de fază(Tabelul 1).

Geometric(dimensionalitatea) nanoobiectele pot fi clasificate în diferite moduri. Unii cercetători propun să caracterizeze dimensionalitatea unui obiect prin numărul de dimensiuni în care obiectul are dimensiuni macroscopice. Alții iau ca bază numărul de măsurători nanoscopice.

În tabel Tabelul 2 prezintă principalele obiecte ale cercetării nanochimice (nanoparticule și nanosisteme corespunzătoare).

Clasificarea nanoobiectelor în funcție de dimensionalitatea lor este importantă nu numai din punct de vedere formal. Geometria afectează semnificativ proprietățile lor fizice și chimice. Să luăm în considerare unele dintre obiectele cu cea mai mare prioritate pentru cercetarea în nanochimie.

Nanoparticule din atomi de gaz nobili. Sunt cele mai simple nanoobiecte. Atomi de gaze inerte cu complet umplut carcase electronice interacționează slab între ele prin forțele van der Waals. La descrierea unor astfel de particule se folosește modelul bilelor dure (Fig. 11). Energia de legare, adică energia cheltuită pentru detașarea unui atom individual dintr-o nanoparticulă, este foarte mică, astfel încât particulele există la temperaturi nu mai mari de 10-100 K.

Orez. 11. Nanoparticule de 16 atomi de argon.

Nanoparticule de metal. În grupurile metalice de mai mulți atomi, pot fi realizate atât tipuri de legături covalente, cât și metalice (Fig. 12). Nanoparticulele de metal au grozave reactivitateși sunt adesea folosiți ca catalizatori. Nanoparticulele metalice pot lua forme regulate - octaedru, icosaedru, tetradecaedru.

Orez. 12. Nanoparticule formate din atomi de platină (sfere albe) și cupru (gri)

Fulerene. Sunt particule goale formate din poliedre de atomi de carbon legați printr-o legătură covalentă. Un loc special printre fulerene este ocupat de o particulă de 60 de atomi de carbon - C 60, care amintește de un microscopic. minge de fotbal(Fig. 13).

Orez. 13. Moleculă de fuleren C 60

Fulerenele sunt utilizate pe scară largă: în crearea de noi lubrifianți și acoperiri anti-fricțiune, noi tipuri de combustibil, compuși de tip diamant de duritate ultra-înaltă, senzori și vopsele.

Nanotuburi de carbon. Acestea sunt obiecte intramoleculare goale formate din aproximativ 1.000.000 de atomi de carbon și reprezentând tuburi cu un singur strat sau multistrat cu un diametru de la 1 la 30 nm și o lungime de câteva zeci de microni. Pe suprafața unui nanotub, atomii de carbon sunt localizați la vârfuri hexagoane regulate(Fig. 14).

Orez. 14. Nanotuburi de carbon.

Nanotuburile au o serie de proprietăți unice, datorită cărora sunt utilizate pe scară largă în principal în crearea de noi materiale, electronice și microscopia de scanare. Proprietăți unice nanotuburi: suprafață specifică mare, conductivitate electrică, rezistență - fac posibilă crearea de purtători de catalizator eficienți pentru diferite procese pe baza acestora. De exemplu, nanotuburile sunt folosite pentru a face noi surse de energie - pile de combustibil care pot funcționa de multe ori mai mult decât bateriile simple de aceeași dimensiune. De exemplu, nanotuburile cu nanoparticule de paladiu pot stoca compact hidrogen de mii de ori volumul lor. Dezvoltare în continuare Tehnologia celulelor de combustibil le va permite să stocheze de sute și de mii de ori mai multă energie decât bateriile moderne.

Ciorchini ionici. Ele reprezintă o imagine clasică, caracteristică unei legături ionice în rețeaua cristalină a clorurii de sodiu (Fig. 15). Dacă o nanoparticulă ionică este suficient de mare, atunci structura sa este apropiată de structura unui cristal în vrac. Compușii ionici sunt utilizați la crearea de filme fotografice cu Rezoluție înaltă, fotodetectoare moleculare, în diverse domenii ale microelectronică și electro-optică.

Orez. 15. cluster NaCl.

Grupuri de fractale. Acestea sunt obiecte cu structură ramificată (Fig. 16): funingine, coloizi, aerosoli și aerogeluri diverși. Un fractal este un obiect în care, cu mărirea crescândă, puteți vedea cum aceeași structură se repetă în el la toate nivelurile și la orice scară.

Fig. 16. Cluster fractal

Clustere moleculare(sisteme supramoleculare). Clustere formate din molecule. Majoritatea clusterelor sunt moleculare. Numărul și varietatea lor sunt enorme. În special, multe macromolecule biologice aparțin clusterelor moleculare (Figurile 17 și 18).

Orez. 17. Cluster molecular de proteină ferredoxină.

Orez. 18. Clustere moleculare cu spin mare

Participanti:

Igor Vladimirovici Melihov- Membru corespondent al Academiei Ruse de Științe, profesor al Facultății de Chimie a Universității de Stat din Moscova. Lomonosov

Viktor Evghenievici Bojevolnov- Candidat la Științe Chimice, cercetător la Facultatea de Chimie, Universitatea de Stat din Moscova. Lomonosov

Prezentare generală a subiectului

Nanosistemele sunt de obicei înțelese ca un set de corpuri înconjurate de un mediu gazos sau lichid, a căror dimensiune rămâne în intervalul 0,1-100 nm. Cuvântul în sine este derivat din greacă. nanos- „pitic”. Astfel de corpuri pot fi clustere și molecule poliatomice, nanopicături și nanocristale. Acestea sunt forme intermediare între atomi și corpurile macroscopice, ceea ce face ca studiul nanosistemelor să fie important.

Particularitatea nanocorpilor, adică a corpurilor ultra-mici, este că dimensiunea lor este proporțională cu raza de acțiune a forțelor de interacțiune interatomică, adică cu distanța la care atomii corpului trebuie îndepărtați, astfel încât interacțiunea lor. nu afectează proprietățile sale într-o măsură vizibilă. Datorită acestei caracteristici, nanocorpii interacționează între ele și cu mediul în mod diferit față de macrocorpii. Specificul interacțiunii este atât de mare încât s-a format o direcție specială de cercetare științifică pentru studiul nanosistemelor, care poate fi numită chimia fizică a nanosistemelor sau, pe scurt, nanochimia.

Este important ca masa nanoparticulelor să fie suficient de mică pentru ca fiecare particulă să participe la mișcarea termică ca un întreg. Această din urmă împrejurare le unește toate varietățile și are o importanță fundamentală, deoarece oferă posibilitatea auto-asamblarii nanoparticulelor în nanostructurile corespunzătoare prin căutarea prin încercare și eroare și, în cele din urmă, găsirea optimilor termodinamici.

Granițele nanointervalului în chimie sunt arbitrare. Proprietățile unui corp sunt sensibile în diferite grade la dimensiunea acestuia. Unele dintre proprietăți își pierd specificitatea la dimensiuni mai mari de 10 nm, altele - mai mari de 100 nm. Prin urmare, pentru a exclude din considerare mai puține proprietăți, limita superioară a nanointervalului ar trebui luată egală cu 100 nm. Astfel, granițele nanosubstanțelor în sine se extind și se deschide un domeniu mai larg pentru cercetare și generalizări ulterioare.

Nanostructurile există în mod natural în natură, iar ceea ce este în primul rând interesant aici sunt exemple de formare de nanosubstanțe în corpurile proteice. Cele mai importante reacții biologice care apar într-o celulă vie au loc în nanostructurile proteinelor. Un exemplu este complexul pigment-proteină al centrului de reacție de fotosinteză, în care șase molecule de natură clorofilă sunt încorporate într-o matrice proteică cu precizie repetabilă până la zecimi de angstrom. Acești pigmenți realizează procesul de conversie a energiei solare în energie de încărcare separată cu o eficiență cuantică de 100% datorită transferului extrem de rapid de electroni între pigmenți. O astfel de eficiență nu este cunoscută nici măcar în fizică. Timpul de transfer de electroni între pigmenți este determinat experimental, ceea ce dă o valoare mai mică de 20 femtosecunde. Mișcarea subsistemului nuclear cu frecvențele corespunzătoare, care creează configurația nucleară necesară pentru transferul de electroni și pentru stabilizarea sarcinilor separate, este de asemenea determinată experimental. Combinarea acestor date cu analiza de difracție de raze X ne permite să stabilim mecanisme moleculareși calea transferului de electroni între pigmenți într-o astfel de nanostructură.

Un alt exemplu de nanostructuri care apar în mod natural în natură vine din domeniul mineralogiei. Astfel, studiul mostrelor de sol lunar, care timp de aproximativ 4,5 miliarde de ani a fost supus bombardamentului cu protoni de către vântul solar, a arătat o serie de procese, de obicei ireversibile, care au avut loc în acesta. Acolo a avut loc reducerea oxizilor, din care toate lucrurile sunt de obicei compuse. stânci, la adâncimi invers proporționale cu energia legăturii metal-oxigen. Cu cât această legătură a fost ruptă mai ușor, cu atât este mai mare adâncimea la care regolitul a suferit procese de reducere, uneori până la o stare de valență zero. La adâncimea maximă, fierul a fost redus, la o adâncime mai mică - crom, și chiar mai aproape de suprafață - siliciu, mangan, magneziu etc. - toate cele 12 elemente principale care formează roca. Dar s-a întâmplat altceva eveniment semnificativ: la suprafață a avut loc un proces de amorfizare a cristalelor, adică au fost distruse pur și simplu și, după cum au arătat studiile efectuate la Institutul de Depozite de Minereu, au fost distruse până la nanostat.

Nanostructurile biologice pot fi izolate, purificate, cristalizate și studiate folosind întregul arsenal de metode chimice, inclusiv RMN, ESR, spectroscopie optică, ultravioletă, infraroșu cu cea mai mare rezoluție în timp - aproximativ 15 femtosecunde. Studii experimentale dintre aceste nanostructuri sunt însoțite de calcule fizice cuantice ale dinamicii moleculare și interacțiunilor electronilor. Și, în același timp, tot ceea ce devine cunoscut despre nanostructurile biologice și structura lor poate fi folosit în sinteza modelelor chimice necesare nanotehnologiei.

În același timp, pentru a evita generalizările excesive, trebuie să ne amintim că există o diferență fundamentală între condensarea nanoparticulelor de origine biologică în suprastructuri biologice și formarea de nanoagregate moleculare atomice sau obișnuite. Forma, structura chimică și topografia suprafeței nanoblocurilor biologice (proteine, acizi nucleici), de regulă, determină foarte strict dimensiunea și forma suprastructurilor biologice rezultate din auto-asamblare, mai ales dacă apare, ca să spunem așa, in vivo. În lumea anorganică, acești factori determinanți sunt mult mai puțin pronunțați. Aici pot apărea fluctuații semnificative și distribuții de dimensiuni foarte largi.

Chimia fizică a nanosistemelor s-a dezvoltat la un moment dat ca parte a fizicii și chimiei. Acum, acesta este un domeniu relativ tânăr al științei care se dezvoltă foarte repede. O caracteristică cantitativă a progresului său poate fi ritmul de creștere a numărului de publicații în literatura științifică. Deoarece este adesea imposibil să se decidă în ce măsură o publicație se referă în mod specific la scara nanometrică și la preocupări Chimie generală sau - deja în mod specific nanochimiei, este dificil să se determine exact numărul lor, dar se pot face estimări. După cum se poate spune din datele preliminare, fizicochimia nanosistemelor s-a dezvoltat fără salturi semnificative și numărul total publicațiile până la sfârșitul secolului trecut au ajuns la 2,5–3 milioane, principalele publicații mondiale, desigur, datând din anii 90. În prima jumătate a secolului, cea mai semnificativă contribuție la nanochimie a avut-o specialiștii care au studiat coloizii și aerosolii, iar în a doua jumătate - polimerii, proteinele, compușii naturali, fulerenele și tubulenii.

În ceea ce privește nanofizica, există două domenii diferite în ea. Una implică crearea de pulberi din nanoparticule sau policristale cu cristalite de mărime nanometrică. O altă zonă este asociată cu cuvântul „mezoscopic” - ceva între „micro” și „macro”. În acest caz, vorbim despre proprietățile particulelor individuale de dimensiuni nanometrice. Aceștia sunt numiți uneori atomi artificiali deoarece, ca și atomii, au un spectru de emisie discret.

Putem spune că a existat un adevărat boom în fizică atunci când au învățat să producă astfel de particule din metale, conductori, semiconductori, supraconductori și, cel mai important, au învățat să includă o astfel de particule într-un circuit electric, adică să treacă numai curent. prin ea. Acest fenomen, ca și fenomenul blocadei Coulomb, a fost prezis teoretic la Institutul de Fizică și Tehnologie din Harkov. temperaturi scăzute, iar apoi acest fenomen a fost descoperit experimental la Universitatea de Stat din Moscova. M. V. Lomonosov. S-a demonstrat că, dacă chiar și un electron intră într-o nanoparticulă de metal, atunci, datorită capacității scăzute, energia Coulomb corespunzătoare va depăși semnificativ temperatura. Ca urmare, are loc o „blocare” a curentului electric.

Acum, bazat pe așa-numita „blocadă” Coulomb, a fost deja creat un tranzistor cu un singur electron. Aceasta este miniaturizarea supremă, deoarece rulează pe un (!) electron. Acest tranzistor funcționează de câțiva ani și a fost folosit cu succes ca dispozitiv de măsurare în fizică. Asociat cu acesta este un progres gigantic în sensibilitate. Utilizarea nanoparticulelor din supraconductori face posibilă realizarea așa-numiților qubiți (biți cuantici de informații), care vor deveni elementul principal al calculatoarelor cuantice.

Astfel, este evident că nanotehnologia se răspândește acum neobișnuit de larg în diferite domenii ale științelor naturale. Aici putem evidenția mai multe direcții principale, dar această selecție va fi destul de arbitrară, deoarece aceste zone se intersectează adesea unele cu altele și, cel mai important, se bazează pe tehnici similare. Printre principalele domenii de cercetare se numără:

Sinteza fulerenelor și a structurilor asemănătoare fulerenelor. Studiul supraconductivității metalelor la temperatură înaltă.

Mobilitatea atomică a clusterelor (în primul rând se studiază punctele de topire și de îngheț ale clusterelor, care sunt mai mici decât cele ale solidelor, se studiază stările specifice solid-lichid ale clusterelor etc.).

Reacțiile nanocluster (în principal sunt studiate pulverizarea în cluster și caracteristicile reacțiilor fotochimice cluster).

Studiul punctelor cuantice (se studiază clusterele de semiconductori, proprietățile lor optice, LED-uri cu lungime de undă reglabilă a radiației).

Studierea proprietăților magnetice, măsurarea modificărilor moment magnetic pe atom în timpul tranziției de la magnetismul colectiv al unui corp solid la structura învelișului unui cluster.

În prezent, chimia fizică a nanosistemelor s-a apropiat de o nouă etapă de dezvoltare, care poate fi numită etapa de vizualizare a atomilor și nanoparticulelor cu observarea interacțiunii lor. in situ. Au fost dezvoltate metode de microscopie de ioni de câmp, electroni, forță atomică și tunel, care au făcut posibilă observarea comportamentului unui atom individual și a stării unui nanocorp individual. Sensibilitatea metodelor spectrale a fost acum adusă la un nivel la care este posibil să se măsoare fluorescența și luminescența unei molecule individuale și să se judece structura moleculelor constând din 50 de atomi sau mai mult din spectrele infraroșu. Observațiile atomilor și nanocorpilor individuali au devenit disponibile pentru o gamă largă de cercetători. Deși acum se crede că obținerea unei imagini fiabile a unui atom sau a unei molecule individuale este o mare problemă. realizare științifică, a încetat să mai fie unic. De exemplu, în 2000, un raport din revista Nature (lucrarea lui T. Fishlock și colab.) a afirmat că a fost posibil să se observe atomi individuali de brom pe suprafața unui singur cristal de cupru și, folosind nanomanipulatoare speciale, să se mute unul dintre atomii, aproape fără să-i miște pe ceilalți, era percepută ca o senzație științifică. Publicațiile din 2002 privind vizualizarea și mișcarea moleculelor de ADN de către nanomanipulatori sunt considerate ca un eveniment important, dar obișnuit. Aparent, nanochimia se confruntă cu posibilitatea de a „asambla” nanocorpi din atomi folosind nanomanipulatoare și de a identifica modul în care proprietățile nanocorpilor se schimbă imediat în momentul detașării unui atom sau al atașării acestuia cu vizualizarea etapelor intermediare ale procesului.

Acum, chimia fizică a nanosistemelor are toate semnele unei ramuri independente a științei: gama proprie de obiecte de cercetare, teorie, experiment (metodologia de căutare) și domeniul de aplicare al rezultatelor.

O ramură specială a chimiei fizice a nanosistemelor poate fi numită o zonă destul de practică - crearea de filme nanometrice organizate, în principal așa-numitele filme monostrat (!) Langmuir-Blodgett. Astfel de filme sunt obținute pentru a crea sisteme cu tunel controlat, iar în acest scop complexele moleculare sunt utilizate ca bază pentru filmele cu un singur electron. Se lucrează pentru a crea nanostraturi Langmuir-Blodgett care conțin acizi nucleici, ceea ce prezintă un interes deosebit pentru crearea unui sistem de testare pentru imobilizarea ADN-ului. Adică, vorbind pe scurt și cu atenție, nanochimia în domeniul său organic este primul pas, baza pentru modelarea și programarea corpurilor proteice.

Obiecte ale cercetării în nanochimie- substante ultrafine obtinute prin condensarea vaporilor si precipitarea din solutii; aerosoli și soluții coloidale, substanțe naturale formate din molecule poliatomice; produse de polimerizare, măcinare fină a solidelor sau atomizare lichidă intensivă; blocuri solide, în care limitele blocurilor sunt atât de pronunțate încât blocurile în sine pot fi considerate cvasiparticule; argile și suspensii marine; sedimente de fund etc.

Teoria nanosistemelor dezvoltă metode pentru calcularea comportamentului nanocorpilor bazate pe „primele principii”. Baza considerației este ecuația evolutivă pentru funcția φ (X i, t) a distribuției nanocorpilor (nanoparticulelor) în funcție de parametrii X i, starea acestora, care include indicatori precum rata de evoluție a nanosistemului, ansamblul ratelor de schimbare a direcției și coeficienților de fluctuație ai parametrilor de stare X i în momentul t. În acest caz, setul de parametri de stare Xi include coordonatele și vitezele spațiale, masa, caracteristicile compoziției, forma și structura fiecărei nanoparticule, folosind principiile de conservare.

Ratele modificărilor direcționale ale parametrilor de stare și coeficienții de fluctuație sunt prezentate în funcție de parametrii de stare ξ i ai mediului din jurul nanoparticulelor. În raport cu coordonatele spațiale și vitezele de mișcare ale nanoparticulelor, aceste funcții sunt reprezentate ca legile mișcării în mecanica clasică. În raport cu caracteristicile de masă și formă, aceste funcții sunt exprimate prin frecvențele de atașare și detașare a atomilor de nanoparticule. Frecvențele sunt de obicei calculate în ipoteza că atomii se mișcă în conformitate cu regulile mecanicii clasice la un anumit potențial de interacțiuni interatomice. La calcularea compoziției și structurii nanoparticulelor, se presupune că nucleele atomilor de nanoparticule se mișcă conform legilor mecanicii clasice (cu corecții mecanice cuantice) în mediul electron-nuclear descris de ecuația Schrödinger. Această ipoteză deschide posibilitatea identificării conexiunii dintre potențialul interacțiunilor interatomice și caracteristicile electron-nucleare ale atomilor și tranziția ulterioară la calcularea ratei de evoluție de la „primele principii”. Un astfel de calcul este încă departe, dar teoria nanosistemelor se dezvoltă rapid.

Experiment a identificat sute de modele în comportamentul nanosistemelor. Să evidențiem două dintre ele, cele mai comune în opinia noastră.

1. Cele mai multe nanosisteme naturale și create de om sunt departe de echilibru, iar starea lor se schimbă continuu pe măsură ce se îndreaptă către echilibru.

Nanosistemele se formează pe două căi: condensare și dispersie. În primul caz, corpurile inițiale sunt evaporate sau dizolvate, după care vaporii rezultați sunt condensați și o substanță ultrafină este precipitată din soluție. În al doilea caz, energie mecanică este furnizată corpurilor inițiale într-o cantitate suficientă pentru dezintegrarea lor în nanoparticule. Implementarea ambelor rute necesită un aflux intens de energie în sistemul original, astfel încât imediat după apariția nanoparticulelor sistemul se găsește scos din echilibru. De îndată ce fluxul de energie se oprește, sistemul evoluează către echilibru.

Cel mai simplu exemplu de evoluție a unui sistem este calea de condensare de transformare a unui singur cristal format din atomi identici și situat într-un volum închis al vaporilor săi saturati. Dacă un astfel de cristal unic este încălzit până la punctul de topire și evaporarea ulterioară a topiturii, iar apoi vaporii rezultați sunt răciți brusc la temperatura inițială a sistemului, atunci pe măsură ce se răcește, nanoparticulele se nucleează și devin mai mari în sistem. Ele sunt combinate în agregate care sunt ordonate. Granițele dintre nanoparticulele din agregate dispar și se transformă în microcristale. Când microcristalele sunt ținute în abur pentru o perioadă lungă de timp, cele mai mici și mai defecte se evaporă, în timp ce cele mai mari și mai perfecte continuă să crească. Și așa mai departe până când un singur cristal original este recreat în sistem. Pe tot intervalul de timp de la momentul în care o cantitate notabilă de nanoparticule s-a acumulat deja în vapori și până la momentul în care majoritatea nanoparticulelor ating o dimensiune de 100 nm, sistemul este în nanostat. Apoi intră inevitabil în echilibru, apariția nanoparticulelor se oprește și, în plus, particulele rezultate pot intra și în stadiul de degradare dacă nu sunt create condiții artificiale pentru conservarea lor.

Pe parcursul traseului dispersiv al transformărilor unui singur cristal în condițiile unui aflux suficient și constant de energie mecanică, dimensiunea fragmentelor în care se dezintegrează un singur cristal scade până când procesele care duc la distrugerea fragmentelor sunt compensate prin agregarea și fuziunea lor. .

Dacă influxul de energie mecanică este atât de mare încât, cu o astfel de compensare, majoritatea fragmentelor au dimensiuni nanometrice, atunci sistemul rămâne într-o stare nanostatică staționară până când influxul de energie scade. Când afluxul se oprește, fragmentele vor începe să crească împreună și să devină mai mari. Aceasta continuă până când un singur cristal original este recreat în sistem. Căile de evoluție de condensare și spergație ale sistemelor se dovedesc a fi mai complexe dacă în sistem apar reacții chimice.

2. Al doilea model al existenței și apariției nanosistemelor, dezvăluit într-o serie de experimente, poate fi formulat pe scurt, deși aceasta este o descoperire foarte importantă: nanosistemele sunt variabile. Aceasta înseamnă că nanocorpurile prezente simultan în sistem au proprietăți diferite, iar „împrăștierea” proprietăților este mare și determină în mare măsură comportamentul sistemului.

Nanoparticulele au dimensiuni inegale, formă și viteză de mișcare spațială, care se manifestă, de exemplu, în mișcarea browniană. Compoziția chimică a nanoparticulelor este, de asemenea, variabilă datorită sorbției diferitelor cantități de molecule medii. Principala cauză a variabilității este mișcarea termică, dar fluctuațiile termice sunt sincronizate datorită interacțiunii cooperante a atomilor. Gradul de sincronizare crește odată cu furnizarea direcționată de substanțe și energie în sistem. Dacă sistemul este neechilibrat, atunci fiecare proprietate a nanoparticulelor se schimbă ca mișcarea unui corp într-un flux de fluid: este purtată de flux în timpul plimbărilor aleatorii în jurul traiectoriei mișcării direcționate. În acest caz, viteza de schimbare a direcției fiecărei proprietăți este caracterizată de valoarea G i , iar intensitatea rătăcirii - de valoarea D i . În raport cu mișcarea spațială a nanoparticulelor, valoarea G i corespunde vitezei de derive a mediului, iar valoarea D i corespunde coeficientului de difuzie brownian. În raport cu masa nanoparticulelor, valoarea lui G i este apropiată de rata medie de mărire a acestora, iar valoarea lui D i caracterizează fluctuațiile frecvenței de atașare a moleculelor mediului de nanoparticule. Nu există multe date despre valorile lui G i și D i, dar informațiile disponibile indică faptul că valorile lui D i sunt destul de mari.

Frecvența atașării atomilor (moleculelor) mediului la o nanoparticulă cu o structură ordonată depinde nemonoton de numărul de atomi constitutivi ai acestuia. Ea scade brusc atunci când numărul de atomi dintr-o particulă devine egal cu unul dintre „numerele magice”, al căror set este determinat de structura particulei. Pentru clusterele cu un aranjament icosaedric de atomi, „numerele magice” corespund numărului de atomi din sferele de coordonare succesive în jurul atomului central. În nanocristalele fațetate, probabilitatea de unire a unui atom este redusă semnificativ dacă numărul de atomi care s-au unit anterior se dovedește a fi suficient pentru a forma un monostrat pe fețele sale, în plus, în perioadele de creștere a clusterului, probabilitatea ca noi atomi să se alăture nanocristalului este mare, iar în perioadele dintre formarea straturilor este mică, de aceea „numerele magice n i corespund numărului de atomi din nanocristal în momentele t i ale nucleării clusterelor bidimensionale. Molecule de peptide formate pe o matrice de ADN. frecvența de adăugare a noilor aminoacizi devine zero după ce numărul de atomi și molecule ale peptidei încetează să îndeplinească cerințele ADN-ului.

Aceste modele fac din studiul nanosistemelor o sarcină extrem de intensivă în cunoștințe. Variabilitatea nanosistemelor obligă să măsoare parametrii de stare ai unui set de nanoparticule, iar natura lor evolutivă face necesară monitorizarea modificărilor proprietăților acestui set în timp. În acest caz, este necesar să se determine funcția multidimensională φ (X i, t) într-o gamă largă de proprietăți ale mediului. Nu este surprinzător că aproape toate nanosistemele au fost studiate în fragmente, iar fragmentele nu sunt combinate într-o imagine completă a comportamentului lor. Cu toate acestea, mii de probleme aplicate au fost rezolvate în cadrul nanochimiei.

Chimia fizică aplicată a nanosistemelor include:

Dezvoltarea fundamentelor teoretice pentru utilizarea nanosistemelor în inginerie și nanotehnologie, metode de predicție a evoluției unor nanosisteme specifice în condițiile utilizării acestora, precum și căutarea unor metode optime de funcționare;

Crearea de modele teoretice ale comportamentului nanosistemelor în timpul sintezei nanomaterialelor și căutarea condițiilor optime pentru producerea acestora;

Studiul nanosistemelor biologice și crearea de metode de utilizare a nanosistemelor în scopuri medicinale;

Dezvoltarea de modele teoretice de formare și migrare a nanoparticulelor în mediu și metode de purificare a apelor naturale sau a aerului din nanoparticule.

Dintre domeniile enumerate de nanochimie aplicată, a doua este cea mai dezvoltată acum, ceea ce pare firesc, deoarece în acest domeniu interesele pur științifice și problemele pur teoretice se încadrează în domeniul intereselor pur practice și chiar economice. Deși este încă prea devreme să spunem că tot ce s-ar putea face în acest stadiu al dezvoltării științifice s-a făcut în acest domeniu. Un exemplu este domeniul metalurgiei, unde în prezent se lucrează la sinteza de noi nanomateriale și la dezvoltarea de noi nanotehnologii. Eficiența creării și utilizării nanomaterialelor este evidentă. Astfel, rezistența unui metal cu o nanostructură este de 1,5-2 ori și, în unele cazuri, de 3 ori, mai mare decât rezistența metalului convențional. Duritatea sa este de 50-70 de ori mai mare, iar rezistența la coroziune este de 10-12 ori mai mare. Se știe că structura unui metal îi afectează foarte mult proprietățile: cum dimensiune mai mică granulație, cu atât suprafața de interacțiune dintre componentele de fază ale structurii este mai mare, ceea ce stă la baza îmbunătățirii proprietăților acesteia. Dimensiunea medie a granulelor unui metal este de 5–7 microni în practică, de obicei nu este încă atinsă la nanodimensiuni. Pentru a obține metale cu nanostructuri sunt necesare metode tehnologice speciale, care acum sunt dezvoltate activ, dar care sunt încă prea complexe pentru a fi utilizate în producția largă. Aceste tehnologii se deplasează în două direcții principale. Prima este crearea așa-numitelor nanopulberi, din care se produce apoi nanomaterialul dorit. O altă metodă de șlefuire a structurii inițiale poate fi numită deformare: datorită deformării profunde repetate a metalului, se obține nivelul adecvat al structurii și, în consecință, proprietățile.

Aceste tehnologii sunt acum dezvoltate pe scară largă în SUA și Japonia și parțial în China și Coreea, așa că tocmai în aceste țări știința a obținut probabil cea mai optimă soluție pentru unele probleme și probleme. În țara noastră, până acum a fost făcut doar primul pas în această direcție: a fost creat Consiliul Științific al Academiei Ruse de Științe pe nanomateriale. Dar până acum s-a făcut puțin și observăm cu regret că Rusia nu este încă printre primele două duzini de țări care dezvoltă activ nanotehnologii.

Când menționăm sintagma „nanostructuri”, ne referim în primul rând la noi tipuri de metale și cristale, a căror creare deschide calea către noi „nanoelectronice” bazate pe una dintre proprietăți uimitoare nanocristale - natura lor lipsită de defecte. Cu toate acestea, nanochimia se referă acum la un alt domeniu al științei, mai aproape de biologie. În practică, această direcție este utilizată în dezvoltarea unor tehnologii terapeutice complet noi.

Ca exemplu de evoluție în a treia direcție, putem prezenta ideea creării de nanosisteme anticancerigene direct în țesutul tumoral. Experimentele de laborator au arătat că dacă reactivii sunt introduși într-un corp polimeric, în timpul interacțiunii cărora se formează nanoparticule de goethit sau hidroxiapatită. atunci introducerea de reactivi poate fi organizată astfel încât nanoparticulele formate în volumul corpului să nu aibă aproape niciun efect asupra structurii polimerului. Dar dacă, după formarea nanoparticulelor, un câmp acustic este aplicat corpului, atunci acesta se va încălzi până la 43 ° C într-un timp în care corpul fără nanoparticule își va schimba cu greu temperatura. Acest lucru sugerează că, dacă găsim substanțe ale căror nanoparticule se pot forma în celulele canceroase cu o probabilitate semnificativ mai mare decât în ​​țesutul sănătos, atunci celule canceroase va fi posibilă încălzirea selectivă și „uciderea”. Și astfel de substanțe au fost găsite. S-au obținut rezultate interesante în ceea ce privește efectul unuia dintre ele (teroftal) asupra dezvoltării tumorilor canceroase la șoareci. A devenit evident că nanoparticulele teroftale în sine nu afectează dezvoltarea unei tumori, iar câmpul acustic încetinește doar puțin creșterea acesteia. Dar dacă câmpul se aplică după formarea nanoparticulelor teroftale. iar în doar 10 minute, volumul tumorii scade cu 80% în decurs de o săptămână. Aceste fapte evidențiază promisiunea de a studia evoluția nanosistemelor în medii biologice.

Nanolume trăiește în conformitate cu aceleași legi, indiferent de zona de existență pe care o luăm. Prin urmare, nanosistemele din chimie se dovedesc a fi aproape de nanostructurile biologice. Principalele complexe și enzime biologice și moleculare au dimensiuni de ordinul 5-50 nm, ceea ce este tipic și pentru nanosistemele chimice. Cu toate acestea, spre deosebire de chimie și geologie, biologia cunoaște structuri extrem de organizate ale nanocomplexelor care determină trecerea cu eficiență ridicată a multor sute de procese biologice într-o celulă vie. Nanostructurile biologice conțin purtători de proteine ​​(ribozomii conțin și molecule de ARN) cu o structură caracteristică secundară, terțiară și cuaternară. În funcție de funcțiile lor, în aceste structuri sunt încrustați diverși cofactori incluși în centrele active. Poziția tuturor atomilor din aceste nanosisteme este atât de reproductibilă încât, pentru cristalele lor tridimensionale, analiza de difracție cu raze X demonstrează poziția fiecărui atom (și pot fi 10 mii sau mai mulți dintre ei) cu o precizie de zecimi de angstrom. .

Noile metode de cercetare, care au făcut posibilă vizualizarea atât a nanoparticulelor în sine, cât și a interacțiunilor lor între ele, au făcut din chimia fizică a nanosistemelor o știință la modă. Dar atractivitatea sa nu este asociată cu circumstanțe aleatorii, ci este predeterminată de logica dezvoltării științei. Această logică duce inevitabil la faptul că cercetarea asupra nanosistemelor devine extrem de intensivă în cunoștințe și costisitoare. Multe țări au lansat programe naționale speciale, oferindu-le finanțare adecvată.

Astăzi, chimia fizică a nanosistemelor este un domeniu al științei în dezvoltare armonioasă, în care teoria și experimentul sunt combinate cu fluxul sistematic de informații științifice în domenii aplicate. De fapt, în prezent, dezvoltarea nanotehnologiei și dezvoltarea metodelor de creare și studiere a nanosubstanțelor poate fi numită una dintre zonele criticeștiința secolului XXI. După cum spunea celebrul fizician Feynman în urmă cu 30 de ani, pătrunderea în nanolume este o cale nesfârșită a omului, pe care practic nu este limitat de materiale, ci își urmează doar propria minte. Într-adevăr, în prezent, descoperiri în nanomaterie și proprietățile sale au loc într-o varietate de domenii - chimie, fizică, biologie. De exemplu, s-a stabilit experimental că atunci când apa este purificată prin descărcări electrice, aceasta capătă proprietăți bactericide. Natura lor nu era clară, de vreme ce compoziție chimică apa nu s-a schimbat. Dar apoi s-a constatat că, ca urmare a eroziunii electrozilor, nanoparticulele rămân în apă, ceea ce îi afectează în mare măsură proprietățile.

Dar descoperirea nanolumilor este, fără îndoială, cea mai importantă pentru un domeniu precum microelectronica. În prezent, în special, se lucrează pentru a crea nanostructuri folosind fascicule ionice. Cu o cantitate suficientă de energie și furnizând metalului protoni liberi, se pot obține structuri de ordinul a zeci de nanometri ca dimensiuni. La o asemenea scară, dielectricul se transformă în metal, iar cristalizarea are loc foarte repede. Apoi sunt create nanostructuri multistrat, care vor sta la baza circuitelor electronice ale viitorului. Și dacă discurile magnetice transportă acum sute de gigaocteți de informații, atunci cu utilizarea noilor tehnologii vor măsura informațiile conținute pe ele în sute de terabytes.

În Rusia, mulți oameni de știință remarcabili sunt implicați în problemele nanochimiei, inclusiv o parte semnificativă a membrilor Departamentului de Chimie și Științe ale Materialelor al Academiei Ruse de Științe. Cu toate acestea, majoritatea nu au acces sistematic la dispozitive, fără de care diagnostice moderne nanosisteme este imposibil. Datorită eforturilor academicienilor O. M. Nefedov și V. A. Kabanov, a fost adusă o contribuție semnificativă la chimia fizică a nanosistemelor în timpul implementării Programului științific și tehnic țintă federal „Cercetare și dezvoltare în domenii prioritare de dezvoltare a științei și tehnologiei în scopuri civile. ” în 1999–2001. Pare important să se implementeze programe academice conduse de academicienii M.V. Lyakishev, precum și o serie de alte proiecte specializate.

Bibliografie

Ivanovsky A. L., Shveikin G. P. Chimie cuantică în știința materialelor. Ekaterinburg, 1997

Melikhov I.V. Acte elementare de cristalizare în medii cu suprasaturare ridicată // Știri ale Academiei Ruse de Științe. Ser. chimic. 1994. Nr. 10

Melikhov I.V. Câteva direcții în dezvoltarea ideilor în știința tehnologică//Teoretică. bazele chimiei tehnologii. 1998. T.32. nr. 4

Melikhov I.V. Modele de cristalizare cu formarea de faze solide nanodispersate // Materiale anorganice. 2000. T.36. numarul 3

Melikhov I.V. Tendințe în dezvoltarea nanochimiei//Ros. chimic. revistă. T.46. nr. 5

Nanotehnologia în următorul deceniu / Ed. M. K. Roko. M., 2002

Nikolaev A. L., Raevsky P. M. Terapia sonodinamică a tumorilor maligne//Ros. chimic. revistă. 1998. T.42. nr. 5

Petrov Yu. I. Clustere și particule mici. M., 1986

Uvarov N. F. Boldyrev V. V. Efectele dimensiunii în chimia sistemelor eterogene // Progrese în chimie. 2001. T. 70. Nr. 4

Clusters de atomi și molecule//Springer Series on Chem. Fizică. 1994. V. 52

Handbook of Nanostructured Meterials and nanotechnology/Ed. de H. S. Nalwa. N.Y., 1994. V. 1–5

Biomaterizarea Magnetit și Magnetorecepția în Organisme: Un nou Biomagnetism/Ed. de J. L. Kirschvink, D. S. Jones, J. B. Macfadden. N.Y., 1985

Pentru conceptul de nanotehnologie, poate nu există o definiție exhaustivă, dar prin analogie cu microtehnologiile existente în prezent, rezultă că nanotehnologiile sunt tehnologii care funcționează cu cantități de ordinul unui nanometru. Prin urmare, trecerea de la „micro” la „nano” este o tranziție calitativă de la manipularea materiei la manipularea atomilor individuali. Când vine vorba de dezvoltarea nanotehnologiei, ne referim la trei direcții: producerea de circuite electronice (inclusiv volumetrice) cu elemente active ale căror dimensiuni sunt comparabile cu cele ale moleculelor și atomilor; dezvoltarea și producția de nanomașini; manipularea atomilor și moleculelor individuali și asamblarea macro-obiectelor din acestea. Evoluțiile în aceste domenii au loc de mult timp. În 1981, a fost creat un microscop tunel care permite transferul atomilor individuali. Efectul de tunel este un fenomen cuantic al pătrunderii unei microparticule dintr-o regiune de mișcare accesibilă clasic în alta, separată de prima printr-o barieră potențială. Baza microscopului inventat este un ac foarte ascuțit, care alunecă peste suprafața studiată cu un spațiu mai mic de un nanometru. În acest caz, electronii din vârful tunelului acului prin acest gol în substrat.

Cu toate acestea, pe lângă cercetarea la suprafață, s-a deschis fundamental crearea unui nou tip de microscoape Metoda noua formarea elementelor de dimensiuni nanometrice. S-au obținut rezultate unice privind mișcarea atomilor, îndepărtarea și depunerea lor la un punct dat, precum și stimularea locală. procese chimice. De atunci, tehnologia a fost îmbunătățită semnificativ. Astăzi aceste realizări sunt folosite în Viata de zi cu zi: producerea oricăror discuri laser, și cu atât mai mult producția de DVD-uri, este imposibilă fără utilizarea metodelor de control nanotehnic.

Nanochimia este sinteza substanțelor și materialelor nanodispersate, reglementare transformări chimice corpuri de dimensiuni nanometrice, prevenirea degradării chimice a nanostructurilor, metode de tratare a bolilor folosind nanocristale.

Următoarele sunt domeniile de cercetare în nanochimie:

• - dezvoltarea metodelor de asamblare a moleculelor mari din atomi folosind nanomanipulatoare;
• - studiul rearanjarilor intramoleculare ale atomilor sub influente mecanice, electrice si magnetice. Sinteza nanostructurilor în fluxurile fluidelor supercritice; dezvoltarea metodelor de asamblare dirijată cu formarea de nanostructuri fractale, cadru, tubulare și columnare.
• - dezvoltarea teoriei evoluţiei fizico-chimice a substanţelor ultradisperse şi nanostructurilor; crearea de modalități de prevenire a degradării chimice a nanostructurilor.
• - obtinerea de noi nanocatalizatori pentru industria chimica si petrochimica; studierea mecanismului reacțiilor catalitice pe nanocristale.
• - studiul mecanismelor de nanocristalizare în medii poroase în câmpuri acustice; sinteza nanostructurilor în țesuturile biologice; dezvoltarea metodelor de tratare a bolilor prin formarea de nanostructuri în țesuturi cu patologie.
• - studiul fenomenului de autoorganizare în grupuri de nanocristale; cauta noi modalitati de a prelungi stabilizarea nanostructurilor cu modificatori chimici.
• - Rezultatul așteptat va fi o gamă funcțională de mașini care oferă:
• - metodologie pentru studierea rearanjamentelor intramoleculare sub influenţe locale asupra moleculelor.
• - noi catalizatori pentru industria chimică și practica de laborator;
• - nanocatalizatori de oxid de pământ rar și vanadiu cu un spectru larg de acțiune.
• - metodologia de prevenire a degradării chimice a nanostructurilor tehnice;
• - metode de predicţie a degradării chimice.
• - nanomedicamente pentru terapie si chirurgie, preparate pe baza de hidroxiapatita pentru stomatologie;
• - o metodă de tratare a bolilor oncologice prin efectuarea nanocristalizării intratumorale și aplicarea unui câmp acustic.
• - metode de realizare a nanostructurilor prin agregare dirijată a nanocristalelor;
• - tehnici de reglare a organizării spaţiale a nanostructurilor.
• - noi senzori chimici cu faza activa ultradispersa; metode de creştere a sensibilităţii senzorilor prin modificare chimică.

Nanochimie este o știință care studiază proprietățile diferitelor nanostructuri, precum și dezvoltarea de noi metode pentru producerea, studiul și modificarea acestora.

Una dintre sarcinile prioritare ale nanochimiei este de a stabili o relație între dimensiunea unei nanoparticule și proprietățile acesteia.

Obiecte ale cercetării în nanochimie sunt corpuri cu o astfel de masă încât dimensiunea lor echivalentă (diametrul unei sfere al cărei volum este egal cu volumul corpului) rămâne în nanorange (0,1 - 100 nm)

Datorită poziționării nanolumilor la granițele fizicii clasice și ale mecanicii cuantice, obiectele sale nu mai pot fi considerate ca fiind absolut identice și nedistinse statistic. Toate sunt individuale, iar o nanoparticulă diferă de o altă nanoparticulă prin compoziție, structură și mulți alți parametri

Nanochimia este într-un stadiu de dezvoltare rapidă, deci atunci când

În timpul studiului, apar în mod constant întrebări legate de concepte și termeni.

Diferențe clare între termenii „cluster”, „nanoparticulă” și „cuantică”.

perioada” nu au fost încă formulate. Termenul „cluster” este folosit mai des pentru

agregate mai mari de atomi și este comun pentru a descrie proprietăți

metale și carbon. Termenul „punct cuantic” este de obicei

se referă la particule de semiconductori și insule, unde cuantică

limitările purtătorilor de sarcină sau excitonii afectează proprietățile acestora.

Nanochimie teoretică dezvoltă metode de calcul al comportamentului nanocorpilor, ținând cont de asemenea parametri ai stării particulelor precum coordonatele și vitezele spațiale, masa, caracteristicile compoziției, forma și structura fiecărei nanoparticule.

Nanochimie experimentală se dezvoltă în trei direcții.

1. În interiorul primul Sunt dezvoltate și utilizate metode spectrale ultrasensibile, făcând posibilă evaluarea structurii moleculelor care conțin zeci și sute de atomi.

2. În al doilea rând Direcția studiază fenomene sub influențe locale (locale) electrice, magnetice sau mecanice asupra nanocorpilor, implementate cu ajutorul nanosondelor și manipulatoarelor speciale. Scopul este de a studia interacțiunea moleculelor individuale de gaz cu nanocorpi și nanocorpi între ele, pentru a identifica posibilitatea unor rearanjamente intramoleculare fără distrugerea moleculelor și cu dezintegrarea lor. Această direcție este, de asemenea, de interes în posibilitatea de „asamblare atomică” a unui nanocorp de dimensiunea dorită. obicei(aspect) la mutarea atomilor de-a lungul suprafeței substratului (materialul de bază, a cărui suprafață este supusă diferitelor tipuri de procesare, în urma cărora se formează straturi cu proprietăți noi sau se dezvoltă un film dintr-un alt material).

3. În interiorul al treilea direcțiile, se determină caracteristicile macrocinetice ale colectivelor de nanocorpi și funcțiile lor de distribuție asupra parametrilor de stare.

Nanochimie aplicată include:

§ dezvoltarea fundamentelor teoretice pentru utilizarea nanosistemelor în inginerie și nanotehnologie, metode de predicție a dezvoltării unor nanosisteme specifice în condițiile utilizării acestora, precum și căutarea unor metode optime de funcționare ( nanochimie tehnică);

§ crearea de modele teoretice ale comportamentului nanosistemelor în timpul sintezei nanomaterialelor și căutarea condițiilor optime pentru producerea acestora ( nanochimie sintetică);

§ studiul nanosistemelor biologice și crearea de metode de utilizare a nanosistemelor în scopuri medicinale ( nanochimie medicală);

§ dezvoltarea de modele teoretice de formare si migrare a nanoparticulelor in mediu si metode de purificare a apelor naturale sau a aerului din nanoparticule ( nanochimie ecologică).

Medicina si asistenta medicala. S-au obţinut dovezi că utilizarea

nanodispozitivele și suprafețele nanostructurate pot crește cu un ordin de mărime

eficiența analizei într-o zonă a biologiei atât de intensivă în muncă precum decodificarea

cod genetic. Dezvoltarea metodelor de determinare a individului

caracteristicile genetice au condus la o revoluție în diagnostic și tratament

boli. Pe lângă optimizarea destinației medicamente,

nanotehnologia a făcut posibilă dezvoltarea unor noi metode de livrare a medicamentelor către

organele bolnave și, de asemenea, crește semnificativ gradul lor terapeutic

impact. Realizările nanotehnologiei sunt utilizate în cercetarea asupra

biologie și patologie celulară. Dezvoltarea de noi tehnici analitice,

potrivit pentru lucru la scara nanometrică, a crescut semnificativ

eficienta studiilor de proprietati chimice si mecanice ale celulelor

(inclusiv diviziunea și mișcarea) și a făcut posibilă măsurarea caracteristicilor

molecule individuale. Aceste noi tehnici au devenit un plus semnificativ

tehnici legate de studiul funcționării organismelor vii.

În plus, crearea controlată de nanostructuri duce la crearea de noi

materiale biocompatibile cu caracteristici îmbunătățite.

Componentele moleculare ale sistemelor biologice (proteine, acizi nucleici10

acizi, lipide, carbohidrați și analogii lor biologici) sunt exemple

materiale ale căror structură și proprietăți sunt determinate la scară nanometrică. Mulți

nanostructurile și nanosistemele naturale se formează folosind

metode biologice de autoasamblare. Artificial anorganic și

nanomaterialele organice pot fi introduse în celule și utilizate pentru

diagnosticare (de exemplu, prin crearea cuantice vizualizate

„puncte”) și utilizate ca componente active ale acestora.

Creșterea capacității de memorie și a vitezei unui computer folosind

nanotehnologia a făcut posibilă trecerea la modelarea macromoleculară

grile într-un mediu real. Astfel de calcule sunt extrem de importante pentru

dezvoltarea de transplanturi biocompatibile și de noi tipuri de medicamente.

Să enumerăm câteva aplicații promițătoare ale nanotehnologiei în

biologie:

Decodificarea rapidă și eficientă a codurilor genetice, care

prezintă interes pentru diagnostic și tratament.

Asistență medicală eficientă și mai ieftină cu

folosind telecomandăși dispozitivele care funcționează

în interiorul organismelor vii

Noi metode de administrare și distribuire a medicamentelor în organism, care au avut

ar fi de mare importanță pentru creșterea eficacității tratamentului (de ex

livrarea medicamentelor în anumite locuri din organism)

Dezvoltarea de mai durabil și nu respins de organism artificial

țesuturi și organe

Dezvoltarea de sisteme de senzori care ar putea semnala

apariția unor boli în interiorul organismului, care ar permite medicilor

se angajează nu atât în ​​tratament, cât în ​​diagnostic și

prevenirea bolilor

Obiecte ale chimiei supramoleculare

Termenul de „chimie supramoleculară” a fost introdus pentru prima dată în 1978.

laureat Premiul Nobel chimistul francez Jean-Marie Len și

definită ca „chimia care descrie formațiuni complexe care sunt

rezultatul asocierii a două (sau mai multe) particule chimice legate între ele

forte intermoleculare." Prefixul „supra” corespunde rusului

prefixul „mai sus”.

Chimie supramoleculară (supramoleculară).

chimie) este un domeniu interdisciplinar al științei, inclusiv chimie,

aspectele fizice şi biologice ale consideraţiei mai complexe decât

molecule, sisteme chimice conectate într-un singur întreg prin

interacțiuni intermoleculare (non-covalente).

Obiectele chimiei supramoleculare sunt supramoleculare

ansambluri care se construiesc spontan din complementare, adică având

corespondența geometrică și chimică a fragmentelor, asemănătoare

asamblarea spontană a celor mai complexe structuri spațiale din viață

cuşcă. Una dintre problemele fundamentale chimia modernă este

proiectarea țintită a unor astfel de sisteme, crearea din moleculară

„blocuri” de compuși supramoleculari foarte ordonați

cu o structură și proprietăți date. Formațiuni supramoleculare

caracterizate prin dispunerea spatiala a componentelor lor, lor

arhitectură, „suprastructură”, precum și tipuri de intermoleculare

interacțiuni care țin componentele împreună. În general

interacţiunile intermoleculare sunt mai slabe decât legaturi covalente, Asa de

asociații supramoleculari sunt mai puțin stabili termodinamic, mai mult

cinetic labil și mai flexibil din punct de vedere dinamic decât moleculele.