الدورات التعليمية عن بعد هي شكل حديث من أشكال التعليم الإضافي الفعال والتدريب المتقدم في مجال تدريب المتخصصين لتطوير تقنيات واعدة للحصول على المواد الوظيفية والمواد النانوية. هذا هو أحد أكثر الأشكال الواعدة للتعليم الحديث الذي يتم تطويره في جميع أنحاء العالم. هذا الشكل من الحصول على المعرفة في مثل هذا المجال متعدد التخصصات مثل المواد النانوية والتكنولوجيات النانوية مهم بشكل خاص. تتمثل مزايا الدورات عن بعد في توفرها ، ومرونتها في بناء المسارات التعليمية ، وتحسين كفاءة وفعالية عملية التفاعل مع الطلاب ، وفعالية التكلفة مقارنة بالدوام الكامل ، والتي ، مع ذلك ، يمكن دمجها بشكل متناغم مع التعلم عن بعد. في مجال المبادئ الأساسية للكيمياء النانوية والمواد النانوية ، تم إعداد مواد الفيديو للمركز العلمي والتعليمي لجامعة موسكو الحكومية حول تقنيات النانو:

• . المفاهيم الأساسية وتعريفات العلوم حول النظم النانوية وتقنيات النانو. تاريخ ظهور تكنولوجيا النانو وعلوم النظم النانوية. تعددية التخصصات وتعدد التخصصات. أمثلة على الأجسام النانوية والأنظمة النانوية وخصائصها وتطبيقاتها التكنولوجية. كائنات وطرق تقنيات النانو. مبادئ وآفاق تطوير تقنيات النانو.
• . المبادئ الأساسية لتشكيل النظم النانوية. الطرق الفيزيائية والكيميائية. عمليات الحصول على الأجسام النانوية "من أعلى إلى أسفل". الكلاسيكية ، "الناعمة" ، microsphere ، الشعاع الأيوني (FIB) ، AFM - الطباعة الحجرية والمسافة النانوية. التنشيط الميكانيكي والتركيب الميكانيكي للكائنات النانوية. عمليات الحصول على الأجسام النانوية "من أسفل إلى أعلى". عمليات التنوي في الوسائط الغازية والمكثفة. تنوي غير متجانس ، epitaxy و heteroepitaxy. انهيار العمود الفقري. تخليق الأجسام النانوية في مصفوفات غير متبلورة (زجاجية). طرق التجانس الكيميائي (الترسيب المشترك ، طريقة sol-gel ، التكنولوجيا الكيميائية المبردة ، الانحلال الحراري للهباء الجوي ، المعالجة الحرارية المذابة ، التجفيف فوق الحرج). تصنيف الجسيمات النانوية والكائنات النانوية. تقنيات الحصول على الجسيمات النانوية وتثبيتها. تجميع وتفصيل الجسيمات النانوية. توليف المواد النانوية في المفاعلات النانوية أحادية وثنائية الأبعاد.
• . الفيزياء الإحصائية للنظم النانوية. ملامح انتقالات الطور في الأنظمة الصغيرة. أنواع التفاعلات داخل الجزيئات وبين الجزيئات. كره الماء والماء. التجمع الذاتي والتنظيم الذاتي. التبييض. طبقات أحادية مجمعة ذاتيًا. أفلام Langmuir-Blodgett. التنظيم الجزيئي الفائق للجزيئات. التعرف الجزيئي. جزيئات البوليمر الكبيرة وطرق تحضيرها. التنظيم الذاتي في أنظمة البوليمر. فصل الطور الدقيق للبوليمرات المشتركة. Dendrimers ، فرش بوليمر. تجميع ذاتي متعدد الإلكتروليتات. البوليمرات فوق الجزيئية.
• . الجوهر ، الطور ، المادة. الهيكل الهرمي للمواد. المواد النانوية وتصنيفها. المواد النانوية الوظيفية غير العضوية والعضوية. مواد هجينة (عضوية - غير عضوية وغير عضوية - عضوية). المعادن الحيوية والسيراميك الحيوي. مواد ذات بنية نانوية 1D و 2 D و 3D. المواد المسامية. المناخل الجزيئية. المركبات النانوية وخصائصها التآزرية. المواد النانوية الهيكلية.
• . الحفز وتكنولوجيا النانو. المبادئ والمفاهيم الأساسية في الحفز غير المتجانسة. تأثير شروط التحضير والتفعيل على تكوين السطح النشط للمحفزات غير المتجانسة. تفاعلات حساسة للبنية وغير حساسة للبنية. خصوصية الخصائص الديناميكية الحرارية والحركية للجسيمات النانوية. التحفيز الكهربائي. التحفيز على الزيوليت والمناخل الجزيئية. تحفيز الغشاء.
• . البوليمرات للمواد الإنشائية والأنظمة الوظيفية. أنظمة بوليمر "ذكية" قادرة على أداء وظائف معقدة. أمثلة على الأنظمة "الذكية" (سوائل البوليمر لإنتاج الزيت ، النوافذ الذكية ، الأغشية النانوية لخلايا الوقود). البوليمرات الحيوية باعتبارها أكثر الأنظمة "ذكاءً". نهج المحاكاة الحيوية. تصميم تسلسل لتحسين خصائص البوليمرات "الذكية". مشاكل التطور الجزيئي للتسلسلات في البوليمرات الحيوية.
• . يتم النظر في الحالة الحالية ومشاكل إنشاء مواد جديدة لمصادر الطاقة الكيميائية: خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) وبطاريات الليثيوم. يتم تحليل العوامل الهيكلية الرئيسية التي تؤثر على خصائص المركبات غير العضوية المختلفة ، والتي تحدد إمكانية استخدامها كمواد قطب كهربائي: البيروفسكايت المركب في مركبات الكربون الهيدروفلورية ومركبات المعادن الانتقالية (الأكاسيد المعقدة والفوسفات) في بطاريات الليثيوم. تعتبر مواد الأنود والكاثود الرئيسية المستخدمة في بطاريات الليثيوم والمعترف بها على أنها واعدة: مزاياها وقيودها ، بالإضافة إلى إمكانية التغلب على القيود من خلال التغييرات الموجهة في التركيب الذري والبنية المجهرية للمواد المركبة عن طريق البنية النانوية من أجل تحسين خصائص المصادر الحالية.

تمت مناقشة بعض القضايا في الفصول التالية من الكتب (دار النشر Binom):

مواد توضيحية للكيمياء النانوية والتجميع الذاتي والأسطح ذات البنية النانوية:

العلمية - "كتب الفيديو" الشعبية:

فصول مختارة من كيمياء النانو والمواد النانوية الوظيفية.

بالنسبة لمفهوم تقنية النانو ، ربما ، لا يوجد تعريف شامل ، ولكن بالقياس مع التقنيات الدقيقة الحالية ، يترتب على ذلك أن التقنيات النانوية هي تقنيات تعمل على قيم ترتيب النانومتر. لذلك ، فإن الانتقال من "ميكرو" إلى "نانو" هو انتقال نوعي من معالجة المادة إلى معالجة الذرات الفردية. عندما يتعلق الأمر بتطوير تقنيات النانو ، هناك ثلاثة مجالات في الاعتبار: تصنيع الدوائر الإلكترونية (بما في ذلك الدوائر الحجمية) بعناصر نشطة مماثلة في الحجم لتلك الموجودة في الجزيئات والذرات ؛ تطوير وتصنيع الآلات النانوية. التلاعب بالذرات الفردية والجزيئات وتجميع الكائنات الكبيرة منها. التطورات في هذه المجالات مستمرة لفترة طويلة. في عام 1981 ، تم إنشاء مجهر نفقي يسمح بنقل الذرات الفردية. تأثير النفق هو ظاهرة كمية لاختراق الجسيمات الدقيقة من منطقة حركة يمكن الوصول إليها تقليديًا إلى أخرى ، مفصولة عن الأولى بحاجز محتمل. أساس المجهر المبتكر هو إبرة حادة للغاية تنزلق فوق السطح قيد الدراسة بفجوة تقل عن نانومتر واحد. في هذه الحالة ، تنفق الإلكترونات من طرف نفق الإبرة عبر هذه الفجوة إلى الركيزة.

ومع ذلك ، بالإضافة إلى دراسة السطح ، فتح إنشاء نوع جديد من المجاهر طريقة جديدة بشكل أساسي لتشكيل عناصر بحجم نانومتر. تم الحصول على نتائج فريدة حول حركة الذرات ، وإزالتها وترسيبها في نقطة معينة ، وكذلك التحفيز المحلي للعمليات الكيميائية. منذ ذلك الحين ، تم تحسين التكنولوجيا بشكل كبير. اليوم ، تُستخدم هذه الإنجازات في الحياة اليومية: إنتاج أي أقراص ليزر ، والأكثر من ذلك ، إنتاج أقراص DVD مستحيل بدون استخدام أساليب التحكم في تقنية النانو.

كيمياء النانو هي تخليق المواد والمواد النانوية ، وتنظيم التحولات الكيميائية للأجسام بحجم النانو ، ومنع التدهور الكيميائي للبنى النانوية ، وطرق علاج الأمراض باستخدام البلورات النانوية.

فيما يلي مجالات البحث في الكيمياء النانوية:

• - تطوير طرق لتجميع الجزيئات الكبيرة من الذرات باستخدام nanomanipulators ؛
• - دراسة إعادة الترتيب الجزيئي للذرات تحت التأثيرات الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية. توليف الهياكل النانوية في تدفقات السوائل فوق الحرجة ؛ تطوير طرق التجميع الموجه مع تشكيل الهياكل النانوية الفركتالية ، والإطار السلكي ، والأنبوبي والعمودي.
• - تطوير نظرية التطور الفيزيائي والكيميائي للمواد متناهية الصغر والبنى النانوية ؛ إيجاد طرق لمنع التدهور الكيميائي للبنى النانوية.
• - الحصول على محفزات نانوية جديدة للصناعات الكيماوية والبتروكيماوية ؛ دراسة آلية التفاعلات التحفيزية على البلورات النانوية.
• - دراسة آليات التبلور النانوي في الوسائط المسامية في المجالات الصوتية ؛ تخليق الهياكل النانوية في الأنسجة البيولوجية ؛ تطوير طرق علاج الأمراض عن طريق تكوين بنى نانوية في الأنسجة مع علم الأمراض.
• - دراسة ظاهرة التنظيم الذاتي في مجموعات من البلورات النانوية. البحث عن طرق جديدة لإطالة أمد استقرار الهياكل النانوية بواسطة المعدلات الكيميائية.
• - ستكون النتيجة المتوقعة هي مجموعة وظيفية من الآلات توفر:
• - منهجية دراسة إعادة الترتيب داخل الجزيئية تحت التأثيرات الموضعية على الجزيئات.
• - محفزات جديدة للصناعة الكيميائية والممارسات المختبرية ؛
• - المحفزات النانوية المؤكسدة ذات التربة النادرة والفاناديوم ذات نطاق واسع من التأثير.
• - منهجية لمنع التدهور الكيميائي للبنى النانوية التقنية ؛
• - طرق التنبؤ بالتدهور الكيميائي.
• - الأدوية النانوية للعلاج والجراحة ، والمستحضرات القائمة على هيدروكسيباتيت لطب الأسنان ؛
• - طريقة لعلاج أمراض الأورام عن طريق إجراء التبلور النانوي داخل الورم وتطبيق مجال صوتي.
• - طرق تكوين الهياكل النانوية عن طريق التجميع الموجه للبلورات النانوية ؛
• - طرق تنظيم التنظيم المكاني للبنى النانوية.
• - مستشعرات كيميائية جديدة ذات مرحلة نشطة متناهية الصغر ؛ طرق زيادة حساسية أجهزة الاستشعار عن طريق التعديل الكيميائي.

منهج الدورة

رقم الصحيفة	المواد التعليمية
17	المحاضرة رقم 1.ما هو مخفي وراء البادئة "نانو"؟ علم النانو وكيمياء النانو. تأثير الحجم. تصنيف الكائنات النانوية.(إريمين في في ، دروزدوف أ.أ.)
18	عدد المحاضرة 2.طرق تخليق ودراسة الجسيمات النانوية. تصنيف طرق تخليق الجسيمات النانوية. طرق التركيب الكيميائية ("من أسفل إلى أعلى"). طرق تصور وبحث الجسيمات النانوية.(إريمين في في ، دروزدوف أ.أ.)
19	عدد المحاضرة 3.تقنية النانو. البحث الأساسي والتطبيقي: العلاقة بين علم النانو وتكنولوجيا النانو. الأجهزة النانوية الميكانيكية. المواد النانوية المغناطيسية. تقنيات النانو في الطب. تطوير تقنيات النانو.(إريمين في في ، دروزدوف أ.أ.) اختبار رقم 1(الموعد النهائي - 25 تشرين الثاني (نوفمبر) 2009)
20	عدد المحاضرة 4.المواد النانوية الكربونية. الأشكال المتآصلة للكربون هي "نانو" وليست "نانو". الماسات النانوية. الفوليرين ومشتقاته. الأنابيب النانوية وتصنيفها وخصائصها. الخصائص العامة للأشكال النانوية الكربونية.(إريمين ف.)
21	المحاضرة رقم 5.المواد النانوية للطاقة. مصادر الطاقة التقليدية والبديلة. المواد النانوية في خلايا الوقود. المواد النانوية لتخزين الهيدروجين.(إريمين ف.)
22	عدد المحاضرة 6.تحفيز النانو. الخصائص العامة للمحفزات. تصنيف التفاعلات التحفيزية. مبادئ المراسلات الهيكلية والطاقة. تحفيز الجسيمات النانوية والزيوليت.(إريمين ف.) اختبار رقم 2(الموعد النهائي - حتى 30 ديسمبر 2009)
23	عدد المحاضرة 7.كيمياء النانو في مشاكل الأولمبياد. 1. مهام بسيطة. طرق الحصول على الجسيمات النانوية. هيكل الجسيمات النانوية. خصائص الجسيمات النانوية.(إريمين ف.)
24	المحاضرة رقم 8.كيمياء النانو في مشاكل الأولمبياد. 2. المشاكل المركبة المعقدة. (إريمين ف.)
العمل النهائي. يجب إرسال تقرير موجز عن العمل النهائي مصحوبًا بشهادة من المؤسسة التعليمية إلى الجامعة التربوية في موعد أقصاه 28 فبراير 2010. (سيتم نشر المزيد من التفاصيل حول العمل النهائي بعد المحاضرة رقم 8.)

V.V. EREMIN ،
أ.دروزدوف

المحاضرة رقم 1
ما هو مخفي وراء البادئة "نانو"؟

علم النانو وكيمياء النانو

في السنوات الأخيرة ، في عناوين الصحف ومقالات المجلات ، صادفنا بشكل متزايد كلمات تبدأ بالبادئة "nano". في الراديو والتلفزيون ، يتم إبلاغنا يوميًا تقريبًا بآفاق تطوير تقنية النانو والنتائج الأولى التي تم الحصول عليها. ماذا تعني كلمة "نانو"؟ تأتي من الكلمة اللاتينية نانوس- "قزم" ويشير حرفيا إلى حجم جسيم صغير. في البادئة "نانو" وضع العلماء معنى أكثر دقة ، وهو الجزء المليار. على سبيل المثال ، النانومتر الواحد يساوي واحدًا من المليار من المتر ، أو 0.000.000.001 م (10-9 م).

لماذا جذب المقياس النانوي انتباه العلماء؟ لنقم بتجربة فكرية. تخيل مكعب من الذهب حافة 1 م يزن 19.3 طن ويحتوي على عدد هائل من الذرات. لنقسم هذا المكعب إلى ثمانية أجزاء متساوية. كل واحد منهم عبارة عن مكعب بنصف حجم الحافة الأصلية. تضاعف إجمالي السطح. ومع ذلك ، فإن خصائص المعدن نفسه لا تتغير في هذه الحالة (الشكل 1). سنواصل هذه العملية أكثر. بمجرد أن يقترب طول حافة المكعب من حجم الجزيئات الكبيرة ، ستصبح خصائص المادة مختلفة تمامًا. لقد وصلنا إلى مستوى النانو ، أي الحصول على جسيمات الذهب النانوية المكعبة. لديهم مساحة إجمالية ضخمة ، مما يؤدي إلى العديد من الخصائص غير العادية ويجعلها لا تشبه الذهب العادي. على سبيل المثال ، يمكن توزيع جزيئات الذهب النانوية بالتساوي في الماء ، لتشكيل محلول غرواني - محلول غرواني. اعتمادًا على حجم الجسيمات ، قد يكون للمحلول الذهبي لون برتقالي أو بنفسجي أو أحمر أو حتى أخضر (الشكل 2).

يعود تاريخ تحضير صولجان الذهب عن طريق الاختزال من مركباته الكيميائية إلى الماضي البعيد. يحتمل أنهم كانوا "إكسير الحياة" الذي ذكره القدماء وتم الحصول عليه من الذهب. يذكر الطبيب الشهير باراسيلسوس ، الذي عاش في القرن السادس عشر ، تحضير "الذهب القابل للذوبان" واستخدامه في الطب. بدأ البحث العلمي على الذهب الغروي في القرن التاسع عشر فقط. ومن المثير للاهتمام ، أن بعض الحلول التي تم إعدادها في ذلك الوقت لا تزال محفوظة. في عام 1857 ، أثبت الفيزيائي الإنجليزي M. Faraday أن اللون الساطع للمحلول يرجع إلى جزيئات صغيرة من الذهب معلقة. حاليًا ، يتم الحصول على الذهب الغرواني من حمض الكلورووريك بالاختزال مع بوروهيدريد الصوديوم في التولوين مع إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي إليه ، مما يزيد من ثبات محلول الصول (انظر المحاضرة رقم 7 ، المهمة 1).

لاحظ أن مثل هذا النهج للحصول على الجسيمات النانوية من الذرات الفردية ، أي من أسفل إلى أعلى في الحجم ، وغالبًا ما يُطلق عليه اسم تصاعدي (هندسة - تصاعدي). إنها سمة من سمات الطرق الكيميائية لتخليق الجسيمات النانوية. في التجربة الفكرية التي وصفناها لتقسيم سبيكة ذهب ، اتخذنا النهج المعاكس - من أعلى إلى أسفل ( من أعلى إلى أسفل) ، والذي يقوم على تفتيت الجسيمات ، كقاعدة عامة ، بالطرق الفيزيائية (الشكل 3).

يمكننا أن نلتقي بجسيمات الذهب النانوية ليس فقط في المختبر الكيميائي ، ولكن أيضًا في المتحف. يؤدي إدخال كمية صغيرة من مركبات الذهب في الزجاج المصهور إلى تحللها مع تكوين الجسيمات النانوية. هم الذين يمنحون الزجاج ذلك اللون الأحمر الساطع ، والذي يُطلق عليه اسم "الياقوت الذهبي".

مع المواد التي تحتوي على أجسام نانوية ، تعرفت البشرية منذ عدة قرون. في سوريا (في عاصمتها دمشق ومدن أخرى) في العصور الوسطى ، تعلموا كيفية صنع شفرات وسيوف قوية وحادة ورنانة. سر صناعة الصلب في دمشق لسنوات عديدة نقله السادة لبعضهم البعض في سرية تامة. أسلحة الصلب ، ليست أقل شأنا من خصائص دمشق ، تم إعدادها أيضًا في بلدان أخرى - في الهند واليابان. لم يسمح التحليل النوعي والكمي لمثل هذا الفولاذ للعلماء بشرح الخصائص الفريدة لهذه المواد. كما هو الحال في الفولاذ العادي ، فهي تحتوي ، إلى جانب الحديد ، على الكربون بنسبة 1.5٪ من الوزن. في تكوين الفولاذ الدمشقي ، تم العثور أيضًا على شوائب معدنية ، على سبيل المثال ، المنغنيز ، الذي يصاحب الحديد في بعض الخامات ، والأسمنتيت ، وكربيد الحديد Fe 3 C ، المتكون أثناء تفاعل الحديد مع الفحم في عملية استعادته من الخام. . ومع ذلك ، بعد تحضير الفولاذ من نفس التركيب الكمي تمامًا مثل دمشق ، لم يتمكن العلماء من تحقيق الخصائص الكامنة في الأصل.

عند تحليل مادة ما ، من الضروري أولاً وقبل كل شيء الانتباه إلى هيكلها! بعد إذابة قطعة من الفولاذ الدمشقي في حمض الهيدروكلوريك ، اكتشف العلماء الألمان أن الكربون الموجود فيها لا يشكل رقائق الجرافيت المسطحة العادية ، ولكن الكربون الأنابيب النانوية. هذا هو اسم الجسيمات التي يتم الحصول عليها عن طريق لف طبقة أو أكثر من طبقات الجرافيت في أسطوانة. توجد تجاويف داخل الأنابيب النانوية ، والتي كانت مملوءة بالسمنتيت في الفولاذ الدمشقي. تربط أنحف خيوط هذه المادة الأنابيب النانوية الفردية ببعضها البعض ، مما يمنح المادة قوة غير عادية ولزوجة ومرونة. لقد تعلموا الآن كيفية إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية بكميات كبيرة ، لكن كيف تمكن "تقنيو" العصور الوسطى من الحصول عليها لا يزال لغزا. يقترح العلماء أن تكون الأنابيب النانوية من الفحم ، والتي سقطت في الفولاذ من شجرة محترقة ، قد سهلتها بعض الشوائب ونظام درجة حرارة خاص مع تسخين وتبريد متكرر للمنتج. كان هذا هو بالضبط السر الذي فقد على مر السنين ، والذي امتلكه الحرفيون.

كما نرى ، تختلف خصائص المادة النانوية والمادة النانوية اختلافًا كبيرًا عن خصائص الأجسام التي لها نفس التركيب النوعي والكمي ، ولكنها لا تحتوي على جسيمات نانوية.

في العصور الوسطى ، كان إنشاء المواد التي نسميها اليوم المواد النانوية مقاربة تجريبية ، أي من خلال سنوات عديدة من الخبرة انتهى الكثير منها بالفشل. لم يفكر الحرفيون في معنى الإجراءات التي قاموا بها ، ولم يكن لديهم حتى فكرة أولية عن بنية هذه المواد والمواد. في الوقت الحاضر ، أصبح إنشاء المواد النانوية موضوعًا للنشاط العلمي. لقد أنشأت اللغة العلمية بالفعل مصطلح "علم النانو" (م. علم النانو) ، والتي تشير إلى مجال دراسة الجسيمات النانوية الحجم. نظرًا لأنه من وجهة نظر صوتيات اللغة الروسية ، فإن هذا الاسم ليس ناجحًا للغاية ، يمكنك استخدام اسم آخر ، مقبول أيضًا بشكل عام - "علم النانو" (الإنجليزية - علم النانو).

يتطور علم النانو عند تقاطع الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد وتكنولوجيا الكمبيوتر. لها العديد من التطبيقات. من المتوقع أن يؤدي استخدام المواد النانوية في الإلكترونيات إلى زيادة سعة أجهزة التخزين بمقدار ألف عامل ، وبالتالي تقليل حجمها. لقد ثبت أن إدخال جزيئات الذهب النانوية في الجسم مع تشعيع الأشعة السينية يمنع نمو الخلايا السرطانية. ومن المثير للاهتمام أن جزيئات الذهب نفسها ليس لها تأثير علاجي. يتم تقليل دورهم إلى امتصاص الأشعة السينية وتوجيهها إلى الورم.

ينتظر الأطباء أيضًا الانتهاء من التجارب السريرية لأجهزة الاستشعار الحيوية لتشخيص أمراض الأورام. يتم بالفعل استخدام الجسيمات النانوية لتوصيل الأدوية إلى أنسجة الجسم وزيادة كفاءة امتصاص الأدوية قليلة الذوبان. يمكن أن يؤدي تطبيق الجسيمات النانوية الفضية على أغشية التغليف إلى إطالة العمر الافتراضي للمنتجات. تُستخدم الجسيمات النانوية في أنواع جديدة من الخلايا الشمسية وخلايا الوقود - وهي أجهزة تحول طاقة احتراق الوقود إلى طاقة كهربائية. في المستقبل ، سيسمح استخدامها بالتخلي عن احتراق الوقود الهيدروكربوني في محطات الطاقة الحرارية وفي محركات الاحتراق الداخلي للمركبات - وهم الذين يقدمون أكبر مساهمة في تدهور الوضع البيئي على كوكبنا. لذا فإن الجسيمات النانوية تخدم مهمة صنع مواد صديقة للبيئة وطرق لإنتاج الطاقة.

تنحصر مهام علم النانو في دراسة الخصائص الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية والبصرية والكيميائية للأجسام النانوية - المواد والمواد. كيمياء النانوكأحد مكونات علم النانو ، تشارك في تطوير طرق التوليف ودراسة الخواص الكيميائية للأجسام النانوية. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم المواد ، نظرًا لأن الكائنات النانوية هي جزء من العديد من المواد. تعتبر التطبيقات الطبية للكيمياء النانوية مهمة جدًا ، بما في ذلك تركيب المواد المتعلقة بالبروتينات الطبيعية ، أو الكبسولات النانوية التي تعمل على حمل الأدوية.

الإنجازات في علم النانو بمثابة أساس للتنمية تكنولوجيا النانو- العمليات التكنولوجية لإنتاج وتطبيق الأجسام النانوية. تشترك تقنيات النانو في القليل مع أمثلة الصناعات الكيميائية التي يتم أخذها في الاعتبار في دورة الكيمياء المدرسية. هذا ليس مفاجئًا - فبعد كل شيء ، يتعين على علماء التقنية النانوية التعامل مع أشياء بحجم 1 إلى 100 نانومتر ، أي لها حجم الجزيئات الكبيرة الفردية.

يوجد تعريف صارم لتقنية النانو *: هذه مجموعة من الأساليب والتقنيات المستخدمة في دراسة وتصميم وإنتاج واستخدام الهياكل والأجهزة والأنظمة ، بما في ذلك التحكم المستهدف وتعديل الشكل والحجم والتكامل والتفاعل بين العناصر النانوية المكونة لها (1 - 100 نانومتر) للحصول على أشياء ذات خصائص كيميائية فيزيائية وبيولوجية جديدة.المفتاح في هذا التعريف هو الجزء الأخير ، الذي يؤكد أن المهمة الرئيسية لتقنية النانو هي الحصول على كائنات ذات خصائص جديدة.

تأثير الأبعاد

تسمى الجسيمات النانوية عادة بأشياء تتكون من ذرات أو أيونات أو جزيئات ويقل حجمها عن 100 نانومتر. الجسيمات المعدنية مثال على ذلك. لقد تحدثنا بالفعل عن جزيئات الذهب النانوية. وفي التصوير الفوتوغرافي بالأبيض والأسود ، عندما يسقط الضوء على الفيلم ، يتحلل بروميد الفضة. يؤدي إلى ظهور جزيئات من الفضة المعدنية ، تتكون من عدة عشرات أو مئات الذرات. منذ العصور القديمة ، كان من المعروف أن الماء الملامس للفضة يمكن أن يقتل البكتيريا المسببة للأمراض. تفسر قوة الشفاء لمثل هذا الماء من خلال محتوى أصغر جزيئات الفضة فيه ، وهي جزيئات نانوية! نظرًا لصغر حجمها ، تختلف هذه الجسيمات في خصائصها عن الذرات الفردية وعن المادة السائبة التي تتكون من عدة بلايين من الذرات ، مثل سبيكة الفضة.

من المعروف أن العديد من الخصائص الفيزيائية للمادة ، مثل لونها ، والتوصيل الحراري والكهربائي ، ونقطة الانصهار ، تعتمد على حجم الجسيم. على سبيل المثال ، درجة حرارة انصهار جسيمات الذهب النانوية بحجم 5 نانومتر أقل بمقدار 250 درجة من درجة حرارة الذهب العادي (الشكل 4). مع زيادة حجم جزيئات الذهب النانوية ، تزداد نقطة الانصهار وتصل إلى قيمة 1337 كلفن ، وهو أمر نموذجي للمواد التقليدية (والتي تسمى أيضًا الطور الأكبر أو الطور الكبير).

يكتسب الزجاج اللون إذا كان يحتوي على جزيئات تكون أبعادها قابلة للمقارنة مع الطول الموجي للضوء المرئي ، أي هي نانوزيزد. هذا ما يفسر اللون الزاهي لنوافذ الزجاج الملون في العصور الوسطى ، والتي تحتوي على أحجام مختلفة من الجسيمات النانوية المعدنية أو أكاسيدها. ويتم تحديد الموصلية الكهربائية للمادة من خلال متوسط ​​المسار الحر - المسافة التي يقطعها الإلكترون بين تصادمين مع الذرات. يقاس أيضًا بالنانومتر. إذا تبين أن حجم الجسيمات النانوية المعدنية أقل من هذه المسافة ، فيجب على المرء أن يتوقع ظهور خصائص كهربائية خاصة في المادة التي لا تميز المعدن العادي.

وبالتالي ، لا تتميز الكائنات النانوية بحجمها الصغير فحسب ، بل تتميز أيضًا بالخصائص الخاصة التي تعرضها ، والتي تعمل كجزء لا يتجزأ من المادة. على سبيل المثال ، لا ينتج لون زجاج "الياقوت الذهبي" أو المحلول الغرواني من الذهب عن جسيم ذهبي واحد ، ولكن بسبب مجموعتهم ، أي يقع عدد كبير من الجسيمات على مسافة معينة من بعضها البعض.

تسمى الجسيمات النانوية الفردية التي لا تحتوي على أكثر من 1000 ذرة النانو. تختلف خصائص هذه الجسيمات اختلافًا كبيرًا عن خصائص البلورة التي تحتوي على عدد كبير من الذرات. هذا يرجع إلى الدور الخاص للسطح. في الواقع ، لا تحدث التفاعلات التي تشتمل على مواد صلبة في الحجم ، بل تحدث على السطح. مثال على ذلك هو تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك. إذا نظرت عن كثب ، يمكنك أن ترى أن فقاعات الهيدروجين تتشكل على سطح الزنك ، والذرات الموجودة في العمق لا تشارك في التفاعل. الذرات الموجودة على السطح لديها المزيد من الطاقة ، لأن. لديهم عدد أقل من الجيران في الشبكة البلورية. يؤدي الانخفاض التدريجي في حجم الجسيم إلى زيادة مساحة السطح الكلية ، وزيادة جزء الذرات على السطح (الشكل 5) ، وزيادة في دور الطاقة السطحية. وهو مرتفع بشكل خاص في العناقيد النانوية ، حيث توجد معظم الذرات على السطح. لذلك ، ليس من المستغرب أن يكون الذهب النانوي ، على سبيل المثال ، أكثر نشاطًا كيميائيًا بعدة مرات من الذهب العادي. على سبيل المثال ، جزيئات الذهب النانوية التي تحتوي على 55 ذرة (قطر 1.4 نانومتر) المترسبة على سطح TiO2 تعمل كمحفزات جيدة للأكسدة الانتقائية للستايرين بالأكسجين الجوي إلى البنزالديهايد ( طبيعة, 2008):

C 6 H 5 -CH \ u003d CH 2 + O 2 -> C 6 H 5 -CH \ u003d O + H 2 O ،

بينما الجسيمات التي يزيد قطرها عن 2 نانومتر ، وحتى الذهب العادي أكثر من ذلك ، لا تظهر نشاطًا تحفيزيًا على الإطلاق.

الألومنيوم مستقر في الهواء ، وتتأكسد جزيئات الألمنيوم النانوية على الفور بواسطة الأكسجين الجوي ، وتتحول إلى أكسيد Al 2 O 3. أظهرت الدراسات أن جسيمات الألمنيوم النانوية التي يبلغ قطرها 80 نانومتر في الهواء قد نمت بطبقة أكسيد بسمك 3 إلى 5 نانومتر. مثال آخر: من المعروف أن الفضة العادية غير قابلة للذوبان في الأحماض المخففة (باستثناء النيتريك). ومع ذلك ، فإن جسيمات الفضة النانوية الصغيرة جدًا (لا تزيد عن 5 ذرات) ستذوب مع إطلاق الهيدروجين حتى في الأحماض الضعيفة مثل حمض الأسيتيك ، وهذا يكفي لتكوين حموضة المحلول pH = 5 (انظر المحاضرة رقم 8) ، المهمة 4).

يسمى اعتماد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجسيمات النانوية على حجمها تأثير الحجم. هذا هو أحد أهم التأثيرات في كيمياء النانو. لقد وجد بالفعل تفسيرًا نظريًا من وجهة نظر العلوم الكلاسيكية ، وهو الديناميكا الحرارية الكيميائية. وهكذا ، فإن اعتماد نقطة الانصهار على الحجم يفسر من خلال حقيقة أن الذرات داخل الجسيمات النانوية تتعرض لضغط سطح إضافي ، مما يغير طاقة جيبس ​​(انظر المحاضرة رقم 8 ، المهمة 5). بتحليل اعتماد طاقة جيبس ​​على الضغط ودرجة الحرارة ، يمكن للمرء بسهولة اشتقاق معادلة تتعلق بدرجة حرارة الانصهار ونصف قطر الجسيمات النانوية - تسمى معادلة جيبس ​​- طومسون:

أين تيرر ( ص) هي درجة حرارة انصهار كائن نانوي بنصف قطر جسيمات نانوية ص, تي pl () - نقطة انصهار المعدن العادي (المرحلة السائبة) ، الصلبة- l - التوتر السطحي بين المرحلتين السائلة والصلبة ، ح pl هي الحرارة المحددة للانصهار ، والتلفزيون هو كثافة المادة الصلبة.

باستخدام هذه المعادلة ، من الممكن تقدير الحجم الذي تبدأ فيه خصائص الطور النانوي بالاختلاف عن خصائص المادة التقليدية. كمعيار ، نأخذ الفرق في درجة الانصهار بنسبة 1٪ (بالنسبة للذهب ، تبلغ درجة الحرارة حوالي 14 درجة مئوية). في "المرجع الكيميائي الموجز" (المؤلفون - V.A. Rabinovich، Z.Ya. Khavin) نجد عن الذهب: حرر = 12.55 كيلوجول / مول = 63.71 جول / جم ، تلفزيون = 19.3 جم / سم 3. في الأدبيات العلمية للتوتر السطحي ، تم إعطاء قيمة المادة الصلبة l = 0.55 N / m \ u003d 5.5–10 -5 J / cm 2. لنحل مشكلة عدم المساواة بهذه البيانات:

هذا التقدير ، على الرغم من كونه تقريبيًا إلى حد ما ، يرتبط جيدًا بقيمة 100 نانومتر ، والتي تُستخدم عادةً عند الحديث عن الأحجام المحدودة للجسيمات النانوية. بالطبع ، هنا لم نأخذ في الاعتبار اعتماد حرارة الاندماج على درجة الحرارة والتوتر السطحي على حجم الجسيمات ، ويمكن أن يكون التأثير الأخير مهمًا جدًا ، كما يتضح من نتائج البحث العلمي.

سيتم إعطاء العديد من الأمثلة الأخرى لتأثير الحجم مع الحسابات والتفسيرات النوعية في المحاضرتين # 7 و # 8.

تصنيف الكائنات النانوية

هناك العديد من الطرق المختلفة لتصنيف الكائنات النانوية. وفقًا لأبسطها ، يتم تقسيم جميع الكائنات النانوية إلى فئتين كبيرتين - صلبة ("خارجية") ومسامية ("داخلية") (مخطط).

مخطط

تصنيف الكائنات النانوية
(من محاضرة البروفيسور بي في رومانوفسكي)

يتم تصنيف الأجسام الصلبة حسب الأبعاد: 1) الهياكل ثلاثية الأبعاد (3D) ، ويطلق عليها اسم العناقيد النانوية ( العنقودية- تراكم ، حفنة) ؛ 2) كائنات مسطحة ثنائية الأبعاد (2D) - أغشية نانوية ؛ 3) الهياكل الخطية أحادية البعد (1D) - الأسلاك النانوية ، أو الأسلاك النانوية (أسلاك نانوية)؛ 4) كائنات صفرية الأبعاد (0D) - النانو ، أو النقاط الكمومية. تشمل الهياكل المسامية الأنابيب النانوية (انظر المحاضرة 4) والمواد النانوية المسامية ، مثل السيليكات غير المتبلورة (انظر المحاضرة رقم 8 ، المهمة 2).

بالطبع ، هذا التصنيف ، مثل أي تصنيف آخر ، ليس شاملاً. لا يغطي فئة مهمة إلى حد ما من الجسيمات النانوية - المجاميع الجزيئية التي تم الحصول عليها بواسطة طرق الكيمياء فوق الجزيئية. سننظر إليه في المحاضرة القادمة.

بعض الهياكل المدروسة بنشاط هي النانو- تتكون من ذرات معدنية أو جزيئات بسيطة نسبيًا. نظرًا لأن خصائص المجموعات تعتمد بشدة على حجمها (تأثير الحجم) ، فقد تم تطوير تصنيفها الخاص بها - وفقًا للحجم (الجدول).

جدول

تصنيف الكتل النانوية المعدنية حسب الحجم
(من محاضرة البروفيسور بي في رومانوفسكي)

عدد الذرات في العنقود النانوي	القطر ، نانومتر	نسبة الذرات الموجودة على السطح ،٪	عدد الطبقات الداخلية	نوع الكتلة
1	0,24 – 0,34	100	0	–
2	0,45 – 0,60	100	0	–
3 – 12	0,55 – 0,80	100	0	صغير
13 – 100	0,8 – 2,0	92 – 63	1 – 3	وسط
10 2 – 10 4	2 – 10	63 – 15	4 – 18	كبير
10 4 – 10 5	10 – 30	15 – 2	> 18	عملاق
> 10 6	> 30	< 2	عديدة	غرواني الجسيم

اتضح أن شكل العناقيد النانوية يعتمد بشكل كبير على حجمها ، خاصة بالنسبة لعدد صغير من الذرات. أظهرت نتائج الدراسات التجريبية ، جنبًا إلى جنب مع الحسابات النظرية ، أن العناقيد النانوية الذهبية التي تحتوي على 13 و 14 ذرة لها بنية مسطحة ، في حالة 16 ذرة ، وهيكل ثلاثي الأبعاد ، وفي حالة 20 ، فإنها تشكل وجهًا- خلية مكعبة مركزية تشبه هيكل الذهب العادي. يبدو أنه مع زيادة عدد الذرات ، يجب الحفاظ على هذا الهيكل. ومع ذلك ، فهي ليست كذلك. جسيم يتكون من 24 ذرة ذهب في الطور الغازي له شكل ممدود غير عادي (الشكل 6). باستخدام الطرق الكيميائية ، من الممكن ربط جزيئات أخرى بالعناقيد من السطح ، والتي تكون قادرة على تنظيمها في هياكل أكثر تعقيدًا. وجد أن جزيئات الذهب النانوية مدمجة مع شظايا من جزيئات البوليسترين [–CH 2 –CH (C 6 H 5) -] نأو أكسيد البولي إيثيلين (–CH 2 CH 2 O–) نعندما يدخلون الماء ، يتم دمجهم بواسطة شظايا البوليسترين الخاصة بهم في مجاميع أسطوانية تشبه الجزيئات الغروية - المذيلات ، ويصل طول بعضها إلى 1000 نانومتر. يقترح العلماء أن مثل هذه الأشياء يمكن استخدامها كعقاقير ومحفزات للسرطان.

تستخدم البوليمرات الطبيعية مثل الجيلاتين أو أجار أجار أيضًا كمواد تنقل جزيئات الذهب النانوية إلى محلول. من خلال معالجتها بحمض الكلوروريك أو ملحه ، ثم مع عامل الاختزال ، يتم الحصول على مساحيق نانوية قابلة للذوبان في الماء مع تكوين محاليل حمراء زاهية تحتوي على جزيئات الذهب الغروية. (لمزيد من التفاصيل حول هيكل وخصائص الكتل المعدنية النانوية ، انظر المحاضرة رقم 7 ، المهمتان 1 و 4.)

ومن المثير للاهتمام أن العناقيد النانوية موجودة حتى في المياه العادية. إنها تكتلات من جزيئات الماء الفردية متصلة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. لقد تم حساب أنه في بخار الماء المشبع عند درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي ، يوجد 10000 ثنائي (H 2 O) 2 ، و 10 قاطعات دورية (H 2 O) 3 ورباعي واحد (H 2 O) 4 لكل 10 مليون ماء منفرد الجزيئات. في الماء السائل ، تم العثور أيضًا على جزيئات ذات وزن جزيئي أكبر بكثير ، تكونت من عدة عشرات وحتى مئات من جزيئات الماء. يوجد بعضها في العديد من التعديلات الأيزومرية التي تختلف في شكل وترتيب اتصال الجزيئات الفردية. توجد العديد من التجمعات بشكل خاص في الماء عند درجات حرارة منخفضة بالقرب من نقطة الانصهار. تتميز هذه المياه بخصائص خاصة - فهي تتميز بكثافة أعلى مقارنة بالجليد وتمتصها النباتات بشكل أفضل. هذا مثال آخر على حقيقة أن خصائص مادة ما لا تتحدد فقط من خلال تركيبها النوعي أو الكمي ، أي الصيغة الكيميائية ، ولكن أيضًا هيكلها ، بما في ذلك على المستوى النانوي.

من بين الأجسام النانوية الأخرى ، تمت دراسة الأنابيب النانوية بدقة أكبر. هذا هو الاسم الذي يطلق على الهياكل الأسطوانية العالقة بأبعاد عدة نانومتر. تم اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية لأول مرة في عام 1951 من قبل الفيزيائيين السوفييت L. ظهر الاهتمام بها مرة أخرى بعد عمل الباحثين الأجانب في التسعينيات. الأنابيب النانوية الكربونية أقوى بمئات المرات من الفولاذ ، والعديد منها موصلات جيدة للحرارة والكهرباء. سبق أن ذكرناها عند الحديث عن شفرات دمشق. سوف تتعلم المزيد عن الأنابيب النانوية الكربونية في المحاضرة رقم 4.

في الآونة الأخيرة ، تمكن العلماء من تصنيع الأنابيب النانوية من نيتريد البورون ، وكذلك بعض المعادن ، مثل الذهب (الشكل 7 ، انظر ص. أربعة عشرة). من حيث القوة ، فهي أدنى بكثير من تلك الكربونية ، ولكن نظرًا لقطرها الأكبر بكثير ، فهي قادرة على تضمين حتى الجزيئات الكبيرة نسبيًا. للحصول على الأنابيب النانوية الذهبية ، لا يلزم التسخين - تتم جميع العمليات في درجة حرارة الغرفة. يتم تمرير محلول غرواني من الذهب بحجم جسيم يبلغ 14 نانومتر عبر عمود مملوء بألومينا مسامية. في هذه الحالة ، تتعطل الكتل الذهبية في المسام الموجودة في هيكل أكسيد الألومنيوم ، وتتحد مع بعضها البعض في الأنابيب النانوية. لتحرير الأنابيب النانوية المتكونة من أكسيد الألومنيوم ، تتم معالجة المسحوق بالحمض - يذوب أكسيد الألومنيوم ، وتستقر الأنابيب النانوية الذهبية في قاع الإناء ، وتشبه الطحالب في صورة مجهرية.

مثال على الكائنات النانوية أحادية البعد هي خيوط النانو، أو أسلاك نانوية- هذا هو اسم الهياكل النانوية الممتدة ذات المقطع العرضي الأقل من 10 نانومتر. بهذا الترتيب من حيث الحجم ، يبدأ الكائن في إظهار خصائص كمية خاصة. دعونا نقارن الأسلاك النحاسية بطول 10 سم وقطرها 3.6 نانومتر مع نفس السلك ، ولكن قطرها 0.5 مم. حجم السلك العادي أكبر بعدة مرات من المسافات بين الذرات ، لذلك تتحرك الإلكترونات بحرية في جميع الاتجاهات. في الأسلاك النانوية ، تكون الإلكترونات قادرة على التحرك بحرية في اتجاه واحد فقط - على طول السلك ، ولكن ليس عبرها ، لأن قطرها هو فقط بضع أضعاف المسافة بين الذرات. يقول الفيزيائيون أنه في الأسلاك النانوية ، يتم توطين الإلكترونات في اتجاهات عرضية ، ويتم تحديد موقعها في اتجاهات طولية.

الأسلاك النانوية المعروفة من المعادن (النيكل والذهب والنحاس) وأشباه الموصلات (السيليكون) والعوازل الكهربائية (أكسيد السيليكون). مع التفاعل البطيء لبخار السيليكون مع الأكسجين في ظل ظروف خاصة ، من الممكن الحصول على أسلاك نانوية من أكسيد السيليكون ، والتي ، مثل الأغصان ، تتدلى عليها تشكيلات السيليكا الكروية التي تشبه الكرز. حجم مثل هذا "التوت" هو فقط 20 ميكرون (ميكرومتر). تقف الأسلاك النانوية الجزيئية منفصلة إلى حد ما ، ومثال على ذلك جزيء الحمض النووي - حارس المعلومات الوراثية. عدد قليل من الأسلاك النانوية الجزيئية غير العضوية هي كبريتيدات الموليبدينوم أو السلينيدات. يظهر جزء من هيكل أحد هذه المركبات في الشكل. 8. بفضل الحضور د- الإلكترونات في ذرات الموليبدينوم والتداخل مملوء جزئياً د- المدارية هذه المادة توصل التيار الكهربائي.

يتم حاليًا إجراء الأبحاث على الأسلاك النانوية على مستوى المختبر. ومع ذلك ، من الواضح بالفعل أنها ستكون مطلوبة عند إنشاء أجهزة كمبيوتر للأجيال الجديدة. يمكن تخدير الأسلاك النانوية شبه الموصلة ، مثل أشباه الموصلات التقليدية ** وفقًا لـ ص- أو ن-اكتب. بالفعل الآن على أساس الأسلاك النانوية التي تم إنشاؤها ص–ن-انتقالات بحجم صغير بشكل غير عادي. وبالتالي ، يتم إنشاء أسس تطوير الإلكترونيات النانوية تدريجياً.

تجعل القوة العالية للألياف النانوية من الممكن تقوية المواد المختلفة ، بما في ذلك البوليمرات ، من أجل زيادة صلابتها. وقد أتاح استبدال أنود الكربون التقليدي في بطاريات أيونات الليثيوم بأنود فولاذي مطلي بأسلاك متناهية الصغر من السيليكون زيادة قدرة هذا المصدر الحالي بترتيب من حيث الحجم.

مثال على الكائنات النانوية ثنائية الأبعاد نانوفيلم. نظرًا لسمكها الصغير جدًا (جزيء واحد أو جزيئين فقط) ، فإنها تنقل الضوء وتكون غير مرئية للعين. طلاء البوليمر النانوي المصنوع من البوليسترين والبوليمرات الأخرى يحمي بشكل موثوق العديد من العناصر المستخدمة في الحياة اليومية - شاشات الكمبيوتر ، ونوافذ الهاتف الخلوي ، وعدسات النظارات.

تسمى البلورات النانوية المفردة من أشباه الموصلات (على سبيل المثال ، كبريتيد الزنك ZnS أو سيلينيد الكادميوم CdSe) التي يصل حجمها إلى 10-50 نانومتر النقاط الكمومية. وهي تعتبر كائنات نانوية صفرية الأبعاد. تحتوي هذه الأجسام النانوية على ما بين مائة إلى مائة ألف ذرة. عندما يتم تشعيع أشباه الموصلات الكمومية ، يظهر زوج من "ثقب الإلكترون" (الإكسيتون) ، وتكون حركته في نقطة كمومية محدودة في جميع الاتجاهات. نتيجة لهذا ، تكون مستويات طاقة الإكسيتون منفصلة. بالانتقال من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية ، تبعث النقطة الكمومية الضوء ، ويعتمد الطول الموجي على حجم النقطة. تُستخدم هذه القدرة في تطوير أجهزة ليزر وشاشات من الجيل التالي. يمكن أيضًا استخدام النقاط الكمومية كعلامات بيولوجية (علامات) ، وربطها ببروتينات معينة. الكادميوم سام إلى حد ما ، لذلك ، في إنتاج النقاط الكمومية على أساس سيلينيد الكادميوم ، يتم تغليفها بقشرة واقية من كبريتيد الزنك. وللحصول على نقاط كمومية قابلة للذوبان في الماء ، وهو أمر ضروري للتطبيقات البيولوجية ، يتم دمج الزنك مع روابط عضوية صغيرة.

إن عالم الهياكل النانوية الذي تم إنشاؤه بالفعل من قبل العلماء غني جدًا ومتنوع. يمكنك أن تجد فيه نظائرها لجميع الكائنات الكلية تقريبًا في عالمنا العادي. لديها النباتات والحيوانات الخاصة بها ، ومناظرها الطبيعية على سطح القمر والمتاهات والفوضى والنظام. تتوفر مجموعة كبيرة من الصور المختلفة للبنى النانوية على www.nanometer.ru. هل كل هذا يجد تطبيقًا عمليًا؟ بالطبع لا. علم النانو لا يزال صغيرًا جدًا - يبلغ من العمر حوالي 20 عامًا فقط! ومثل أي كائن حي صغير ، فإنه يتطور بسرعة كبيرة وقد بدأ للتو في الاستفادة منه. حتى الآن ، تم رفع جزء صغير فقط من إنجازات علم النانو إلى مستوى تقنيات النانو ، لكن نسبة التنفيذ تتزايد باستمرار ، وفي غضون بضعة عقود سيكون أحفادنا في حيرة من أمرهم - كيف يمكن أن نعيش بدون تقنيات النانو!

أسئلة

1. ما يسمى علم النانو؟ تقنية النانو؟

2. علق على عبارة "كل مادة لها مستوى نانوي".

3. صف مكانة الكيمياء النانوية في علم النانو.

4. باستخدام المعلومات الواردة في نص المحاضرة ، قم بتقدير عدد ذرات الذهب في 1 م 3 و 1 نانومتر 3.

إجابه. 5,9 10 28 ; 59.

5. تحدث أحد مؤسسي علم النانو ، الفيزيائي الأمريكي R. Feynman ، عن الإمكانية النظرية للتلاعب الميكانيكي للذرات الفردية ، في عام 1959 قال العبارة التي اشتهرت: "هناك مساحة كبيرة في الأسفل" ("هناك مساحة كافية في الاسفل"). كيف تفهم بيان العالم؟

6. ما هو الفرق بين الطرق الفيزيائية والكيميائية للحصول على الجسيمات النانوية؟

7. اشرح معنى المصطلحات: "الجسيمات النانوية" ، "الكتلة" ، "الأنابيب النانوية" ، "الأسلاك النانوية" ، "النانو فيلم" ، "البارود النانوي" ، "النقطة الكمية".

8. اشرح معنى مصطلح "تأثير الحجم". ما هي الخصائص التي تظهر؟

9. مسحوق النانو النحاسي ، على عكس الأسلاك النحاسية ، يذوب بسرعة في حمض الهيدرويوديك. كيف نفسر ذلك؟

10. لماذا يختلف لون المحاليل الغروية للذهب المحتوية على جزيئات نانوية عن لون المعدن العادي؟

11. يبلغ نصف قطر الجسيمات النانوية الذهبية الكروية 1.5 نانومتر ، ونصف قطر ذرة الذهب هو 0.15 نانومتر. تقدير عدد ذرات الذهب الموجودة في الجسيمات النانوية.

إجابه. 1000.

12. ما نوع العناقيد التي ينتمي إليها جسيم Au 55؟

13. ما هي المنتجات الأخرى ، إلى جانب البنزالديهايد ، التي يمكن أن تتشكل أثناء أكسدة الستايرين بالأكسجين الجوي؟

14. ما هي أوجه التشابه والاختلاف بين الماء الناتج عن ذوبان الجليد والماء الناتج عن تكثيف البخار؟

15. أعط أمثلة على الأجسام النانوية ذات البعد 3 ؛ 2 ؛ واحد؛ 0.

المؤلفات

تقنيات النانو. ABC للجميع. إد. أكاد. يو دي تريتياكوف. موسكو: Fizmatlit ، 2008 ؛ سيرجيف ج.كيمياء النانو. M: Book House University، 2006؛ راتنر م ، راتنر د.تقنية النانو. شرح بسيط لفكرة رائعة أخرى. موسكو: ويليامز ، 2007 ؛ Rybalkina M.تقنية النانو للجميع. م ، 2005 ؛ Menshutina N.V.. مقدمة في تكنولوجيا النانو. كالوغا: دار نشر المؤلفات العلمية Bochkareva NF، 2006؛ Lalayants I.E.كيمياء النانو. الكيمياء (دار النشر "الأول من سبتمبر") ، 2002 ، العدد 46 ، ص. واحد؛ راكوف إي.الكيمياء وتكنولوجيا النانو: وجهتان. الكيمياء (دار النشر "الأول من سبتمبر") 2004 ، العدد 36 ، ص. 29.

موارد الإنترنت

www.nanometer.ru - موقع معلومات مخصص لتقنيات النانو ؛

www.nauka.name - بوابة العلوم الشعبية ؛

www.nanojournal.ru - مجلة نانوجورنال الروسية الإلكترونية.

* تم اعتماده رسمياً من قبل شركة روسنانوتيك الحكومية الروسية.

** المنشطات هي إدخال كميات قليلة من الشوائب التي تغير الهيكل الإلكتروني للمادة. - ملحوظة. إد.

كيمياء النانو هي فرع من فروع الكيمياء يدرس خصائص وبنية وخصائص التحولات الكيميائية للجسيمات النانوية. السمة المميزة للكيمياء النانوية هي وجود تأثير الحجم - تغيير نوعي في الخواص الفيزيائية والكيميائية والتفاعل مع تغيير في عدد الذرات أو الجزيئات في الجسيم. عادة ، يتم ملاحظة هذا التأثير للجسيمات الأصغر من 10 نانومتر ، على الرغم من أن هذه القيمة لها قيمة مشروطة.

اتجاهات البحث في الكيمياء النانوية

تطوير طرق لتجميع الجزيئات الكبيرة من الذرات باستخدام nanomanipulators ؛ دراسة إعادة الترتيب الجزيئي للذرات تحت التأثيرات الميكانيكية والكهربائية والمغناطيسية.

توليف الهياكل النانوية في تدفقات السوائل فوق الحرجة ؛ تطوير طرق التجميع الموجه للبلورات النانوية.

تطوير نظرية التطور الفيزيائي والكيميائي للمواد متناهية الصغر والبنى النانوية ؛ إيجاد طرق لمنع التدهور الكيميائي للبنى النانوية.

الحصول على محفزات جديدة للصناعات الكيماوية والبتروكيماوية. دراسة آلية التفاعلات التحفيزية على البلورات النانوية.

دراسة آليات التبلور النانوي في الوسائط المسامية في المجالات الصوتية ؛ تخليق الهياكل النانوية في الأنسجة البيولوجية.

دراسة ظاهرة التنظيم الذاتي في مجموعات من البلورات النانوية ؛ البحث عن طرق جديدة لإطالة أمد استقرار الهياكل النانوية بواسطة المعدلات الكيميائية.

الغرض من البحث هو تطوير مجموعة وظيفية من الآلات التي توفر:

محفزات جديدة للصناعة الكيميائية والممارسات المختبرية.

منهجية لمنع التدهور الكيميائي للبنى النانوية التقنية ؛ طرق التنبؤ بالتدهور الكيميائي.

الحصول على أدوية جديدة.

طريقة لعلاج أمراض الأورام من خلال إجراء التبلور النانوي داخل الورم وتطبيق مجال صوتي.

مجسات كيميائية جديدة طرق زيادة حساسية المستشعرات.

تقنيات النانو في الطاقة والصناعة الكيميائية

تعد تقنية النانو (النانو اليونانية - "القزم" + "التقنية" - الفن + "الشعارات" - العقيدة والمفهوم) مجالًا متعدد التخصصات للعلوم والتكنولوجيا الأساسية والتطبيقية ، ويتعامل مع الأساليب المبتكرة (في مجالات الإثبات النظري ، والطرق التجريبية البحث والتحليل والتوليف ، وكذلك في مجال الصناعات الجديدة) الحصول على مواد جديدة ذات الخصائص المرغوبة. تستخدم تقنية النانو أحدث التقنيات لمعالجة الذرات أو الجزيئات المفردة (الحركة ، التباديل ، التوليفات الجديدة). تُستخدم مجموعة متنوعة من الطرق (الميكانيكية والكيميائية والكهروكيميائية والكهربائية والكيميائية الحيوية وشعاع الإلكترون والليزر) لتنظيم بنية ذرية وجزيئية معينة من الأجسام النانوية بشكل مصطنع.

تقنيات النانو في الطاقة

تقنيات النانو في مجال الطاقة والهندسة الميكانيكية

في هذا المجال ، يتم تطوير NT في اتجاهين:

1- إنشاء المواد الإنشائية ،

2- هندسة النانو السطحية

صناعة مواد البناء,

لإنشاء مواد هيكلية جديدة بشكل أساسي مع تضمين عناصر فائقة التشتت (أو نانوية التشتت) ، سلكنا المسار التالي. الأول هو إضافة عناصر متناهية الصغر كمشبات. بالنسبة للمواد الإنشائية في الهندسة الميكانيكية والطاقة ، فإن الفوليرينات غريبة ومكلفة للغاية ، والاتجاه الثاني هو إنشاء أنظمة متناهية الصغر (UDS) من شوائب غير معدنية في الفولاذ والسبائك ، يتم إجراؤها عن طريق اللدائن الحرارية أو التشوه الحراري أو البلاستيك. اتضح أنه يمكن التحكم في خصائص أداء المواد الإنشائية ليس فقط من خلال إدخال مكونات السبائك ، والتي ، وفقًا لعلماء المعادن ، استنفدت تقريبًا ، ولكن أيضًا عن طريق التشوه من أي نوع. مع مثل هذا التأثير ، يحدث تكسير الشوائب غير المعدنية. التلدين والتقسية التقليدية ليست سوى تقنيات نانوية في علم المعادن.

نتيجة لهذه التأثيرات ، من الممكن الحصول على الفولاذ (فولاذ النيتروجين في بروميثيوس) ، حيث يتم الجمع بين القوة العالية والليونة ، أي بالضبط تلك الخصائص التي يفتقر إليها قطاع الطاقة ، في الهندسة الميكانيكية ، للحصول على المواد بالخصائص المرغوبة. وتتيح تقنية النانو الحصول على هذه المواد بنجاح.

كيمياء النانو

الكيمياء والصيدلة

ظهر علم النانو كتخصص مستقل فقط في 7-10 سنوات الماضية. تعد دراسة الهياكل النانوية اتجاهًا شائعًا للعديد من التخصصات العلمية الكلاسيكية. تحتل كيمياء النانو مكانًا رائدًا فيما بينها ، لأنها تفتح إمكانيات غير محدودة تقريبًا لتطوير وإنتاج وبحث ...

الوكالة الفيدرالية للتربية جامعة ولاية أومسك البيداغوجية كلية الكيمياء والبيولوجيا
قسم الكيمياء وطرق تدريس الكيمياء

كيمياء النانو

أنجزه: الطالب 1-XO Kuklina N.E.

فحصه: مرشح العلوم الكيميائية ، الأستاذ المساعد بريانسكي ب.

أومسك 2008

§واحد. تاريخ تكوين علم النانو ……………………………………………………………………… 3

§2. المفاهيم الأساسية لعلم النانو ……………………………………………………………………… .5

§3. ملامح هيكل وسلوك بعض الجسيمات النانوية ……………………………………. 8

§4. أنواع الاستخدام التطبيقي لكيمياء النانو …………………………………………… ..... 9

§خمسة. طرق الحصول على الجسيمات النانوية ………………………………………………………………… .. 10

§6. المواد النانوية وآفاق تطبيقها ……………………………………… ... 11

مصادر المعلومات ………………………………………………………………………………………………………. 13

§واحد. تاريخ تكوين علم النانو

1905 أثبت ألبرت أينشتاين نظريًا أن حجم جزيء السكر هو pوالأوردة 1 نانومتر.

1931 ابتكر الفيزيائيان الألمان إرنست روسكا وماكس نول ميكروفونًا إلكترونيًاحول نطاق توفير 10 15 -أضعاف الزيادة.

1932 اخترع الأستاذ الهولندي فريتز زرنيك مي تباين الطورل roscope - نوع من المجهر الضوئي الذي حسّن جودة عرض تفاصيل الصورلكن zheniya ، وفحص الخلايا الحية بمساعدتها.

1939 أنتجت شركة سيمنز ، حيث عمل إرنست روسكا ، أول مجهر إلكتروني تجاري بدقة 10 نانومتر.

1966 الفيزيائي الأمريكي راسل يونج ، الذي عمل في المكتب الوطني لن السهام ، المحرك المستخدم اليوم في مسح الميكروفونات النفقيةحول النطاقات وتحديد مواقع الأدوات النانوية بدقة 0.01 أنجستروم (1 نانومتر = 10 أنجستروم).

1968 أثبت ألفريد تشو ، نائب الرئيس التنفيذي لشركة بيل ، وجون آرثر ، موظف في قسم أبحاث أشباه الموصلات في بيل ، الإمكانية النظرية لاستخدام تقنية النانو لحل مشاكل المعالجة السطحية وتحقيق الدقة الذرية في إنشاء الأجهزة الإلكترونية.

1974 اقترح الفيزيائي الياباني نوريو تانيجوتشي ، الذي عمل في جامعة طوكيو ، مصطلح "تقنية النانو" (عملية فصل وتجميع وتغيير الأملكن عن طريق تعريضها لذرة واحدة أو جزيء واحد) ، والتي سرعان ما اكتسبت شعبية في الأوساط العلمية.

1982 في مركز أبحاث IBM زيوريخ للفيزيائيين Gerd Binnig و Geن طور ريتش روهرر مجهر المسح النفقي (STM) ، مما يجعل من الممكن بناء صورة ثلاثية الأبعاد لترتيب الذرات على أسطح المواد الموصلة.

1985 ثلاثة كيميائيين أمريكيين: اكتشف الأستاذ بجامعة رايس ريتشارد سمالي ، وكذلك روبرت كارل وهارولد كروتو ، الفوليرينات - الجزيئات المكونةأنا تتكون من 60 ذرة كربون مرتبة على شكل كرة. تمكن هؤلاء العلماء أيضًا من قياس جسم 1 نانومتر لأول مرة.

1986 طور جيرد بينيج مسبار القوة الذرية للمسح بالميكرومترحول النطاق ، والذي أتاح أخيرًا تصور ذرات أي مواد (ليس فقطحول يؤدي) ، وكذلك التلاعب بها.

1987-1988 في معهد البحوث "دلتا" تحت إشراف P.N. Luskinovich ، تم إطلاق أول منشأة روسية لتكنولوجيا النانو ، والتي نفذت المغادرة الموجهة للجسيمات من طرف المسبار المجهر تحت تأثير التسخين.

1989 تمكن العالمان دونالد إيجلر وإرهارد شويتزر من مركز آي بي إم للعلوم بكاليفورنيا من وضع 35 ذرة من الزينون على بلور من النيكل مع اسم شركتهما.

1991 الأستاذ الياباني سوميو ليجيما الذي عمل في NEC ومن استخدام الفوليرينات لإنشاء أنابيب الكربون (أو الأنابيب النانوية) بقطر 0.8 نانومتر.

1991 تم إطلاق أول برنامج لتكنولوجيا النانو تابع لمؤسسة العلوم الوطنية في الولايات المتحدة الأمريكية. قامت حكومة اليابان أيضًا بأنشطة مماثلة.

1998 ابتكر سيس ديكر ، الأستاذ الهولندي في جامعة دلفت للتكنولوجيا ، ترانزستورًا يعتمد على الأنابيب النانوية. للقيام بذلك ، كان عليه أن يكون أول من يتغير في العالمه قياس الموصلية الكهربائية لمثل هذا الجزيء.

2000 رأى الفيزيائي الألماني فرانز جيسيبل جزيئات دون ذرية في السيليكون. اقترح زميله روبرت ماغرل تقنية التصوير النانوي - إنشاء ثلاثةص صورة للهيكل الداخلي للمادة بدقة 100 نانومتر.

2000 افتتحت الحكومة الأمريكية المعهد الوطني لتقنية النانوو مبادرة (NNI). وخصصت الميزانية الأمريكية 270 مليون دولار لهذا الاتجاه التجاريه استثمرت الشركات الروسية فيها 10 مرات أكثر.

2002 قام Cees Dekker بدمج أنبوب كربوني مع DNA ، ليحصل على نانو واحدهي الخانية.

2003 قام البروفيسور فنغ ليو من جامعة يوتا ، باستخدام إنجازات فرانز جيسيبل ، باستخدام مجهر ذري ، ببناء صور لمدارات الإلكترونات من خلال تحليل اضطراباتها أثناء تحركها حول النواة.

§2. المفاهيم الأساسية لعلم النانو

ظهر علم النانو كتخصص مستقل فقط بعد ذلكد لم يسبق له مثيل من 7 إلى 10 سنوات. تعد دراسة الهياكل النانوية اتجاهًا شائعًا للعديد من التخصصات العلمية الكلاسيكية. تحتل كيمياء النانو مكانًا رائدًا فيما بينها ، لأنها تفتح إمكانيات غير محدودة عمليًا لتطوير وإنتاج وبحث المواد النانوية الجديدة ذات الخصائص المرغوبة ، وغالبًا ما تكون متفوقة في الجودة على المواد الطبيعية.

كيمياء النانو - هو علم يدرس خصائص الجسيمات النانوية المختلفةتي ruktur ، وكذلك تطوير طرق جديدة لإنتاجها ودراستها وتعديلها.

المهمة ذات الأولوية في الكيمياء النانويةإقامة علاقة بين حجم النانومترلكن stice وخصائصه.

كائنات البحث في الكيمياء النانويةهي أجسام ذات كتلة تعادلهاو يبقى حجم التكافؤ داخل nanorange (0.1 - 100 نانومتر).

تحتل كائنات المقياس النانوي موقعًا وسيطًا بين المواد السائبة من ناحية ، والذرات والجزيئات من ناحية أخرى. وجود مثلب تمنحهم المشاريع في المواد خصائص كيميائية وفيزيائية جديدة. الكائنات النانوية هي رابط وسيط ومتصل بين العالم الذي توجد فيه القوانينحول نيويورك ميكانيكا الكم ، والعالم الذي تعمل فيه قوانين الفيزياء الكلاسيكية.

الأحجام المميزة لكائنات العالم المحيط

تبحث كيمياء النانو في إنتاج وخصائص النظم النانوية المختلفة.أنظمة النانو هي مجموعة من الجثث محاطة بوسط غازي أو سائل. مثل ره يمكن استخدام المجموعات والجزيئات متعددة الذرات والقطرات النانوية والبلورات النانوية كلامات. هذه أشكال وسيطة بين الذرات والأجسام العيانية. حجم الأنظمة حولمن يذوب في حدود 0.1 - 100 نانومتر.

تصنيف أجسام الكيمياء النانوية حسب حالة المرحلة

حالة المرحلة	ذرات مفردة	عناقيد المجموعات	الجسيمات النانوية	المادة المدمجة
القطر ، نانومتر	0,1-0,3	0,3-10	10-100	اكثر من 100
عدد الذرات	1-10	10-10 6	10 6 -10 9	أكثر من 10 9

يتوسع باستمرار نطاق الأشياء التي تدرسها كيمياء النانو. لطالما سعى الكيميائيون إلى فهم سمات الأجسام ذات الحجم النانوي. أدى ذلك إلى التطور السريع للكيمياء الغروية والجزيئية.

في الثمانينيات والتسعينيات من القرن العشرين ، بفضل أساليب القوة الذرية والإلكترونية وما إلى ذلكن بالمجهر ، كان من الممكن مراقبة سلوك البلورات النانوية المعدنية وه الأملاح العضوية وجزيئات البروتين والفوليرين والأنابيب النانوية ، وفي السنوات الأخيرة رلكن أصبحت هذه الملاحظات واسعة الانتشار.

كائنات البحث الكيميائي النانوي

الجسيمات النانوية	أنظمة النانو
الفوليرين	بلورات ، محاليل
توبولين	المجاميع ، الحلول
جزيئات البروتين	محاليل بلورات
جزيئات البوليمر	Sols ، المواد الهلامية
بلورات نانوية غير عضويةالمخلوقات ه	الهباء الجوي والمحاليل الغروية والترسيب
ميسيل	الحلول الغروية
كتل نانوية	المواد الصلبة
أفلام لانجميور بلودجيت	الأجسام مع فيلم على السطح
مجموعات في الغازات	الغبار الجوي
جزيئات نانوية في طبقات مختلفةالمخلوقات ه	الأفلام ذات البنية النانوية

وبالتالي ، يمكن تمييز الخصائص الرئيسية التالية لكيمياء النانو:

1. تكمن الأبعاد الهندسية للأشياء في مقياس النانومتر ؛
2. إظهار الخصائص الجديدة بالأشياء ومجموعاتها ؛
3. إمكانية التحكم والتلاعب الدقيق بالأشياء ؛
4. الكائنات والأجهزة التي يتم تجميعها على أساس الأشياء تستقبل مستهلكين جددخصائص bsky.

§3. ملامح هيكل وسلوك بعض الجسيمات النانوية

جزيئات نانوية من ذرات غازات خاملةهي أبسط الكائنات النانويةب المشاريع. تتفاعل ذرات الغازات الخاملة مع قذائف الإلكترون المملوءة بالكامل بشكل ضعيف مع بعضها البعض من خلال قوى فان دير فال. عند وصف هذه الجسيمات ، يتم استخدام نموذج المجالات الصلبة.

جزيئات المعادن النانوية. في التجمعات المعدنية للعديد من الذرات ، يمكن تحقيق كلا النوعين التساهمي والمعدني من الروابط. الجسيمات النانوية المعدنية شديدة التفاعل وغالبًا ما تستخدم كمحفز.لكن توري. عادة ما تأخذ الجسيمات النانوية المعدنية الشكل الصحيح - ثماني السطوح ، ikosلكن هيدرا ، رباعي الوجوه.

مجموعات كسوريةهي كائنات ذات هيكل متفرع: السخام ، coل الرواسب ، الهباء الجوي المختلفة والهباء الجوي. الفركتل هو الجسم الذي عند زيادةمن تكبير الذوبان ، يمكنك أن ترى كيف يتكرر نفس الهيكل فيه على جميع المستويات وعلى أي مقياس.

العناقيد الجزيئيةهي مجموعات من الجزيئات. معظم clastه الخندق جزيئي. عددهم وتنوعهم هائل. على وجه الخصوص ، للجزيئاتفي تنتمي العديد من الجزيئات البيولوجية إلى العناقيد القطبية.

الفوليرين هي جسيمات داخلية مجوفة تتكون من متعدد السطوحن ألقاب ذرات الكربون مرتبطة برابطة تساهمية. مكانة خاصة بين الكامله جديد يشغله جسيم من 60 ذرة كربون - C 60 تشبه كرة القدم المجهرية.

الأنابيب النانوية - هذه جزيئات مجوفة بالداخل ، تتكون من حوالي 1،000،000 فيحول mov من الكربون وتمثل أنابيب أحادية الطبقة يبلغ قطرها حوالي نانومتر وطولها عدة عشرات من الميكرونات. على سطح الأنابيب النانوية ، تتشتت ذرات الكربونحول تقع على رؤوس الأشكال السداسية المنتظمة.

§4. الاستخدامات التطبيقية لكيمياء النانو

تقليديا ، يمكن تقسيم الكيمياء النانوية إلى:

• نظري
• تجريبي
• مطبق

الكيمياء النانوية النظريةيطور طرقًا لحساب سلوك الأجسام النانوية ، مع مراعاة معلمات حالة الجسيمات مثل الإحداثيات المكانية والسرعةحول sti والكتلة وخصائص تكوين وشكل وبنية كل جسيم نانوي.

كيمياء النانو التجريبيةيتطور في ثلاثة اتجاهات.في إطار الأول طرق طيفية فائقة الحساسية يجري تطويرها واستخدامها ، نعميو التي تعطي فرصة للحكم على بنية الجزيئات ، بما في ذلك عشرات ومئات من الذرات.في اطار الثانيةالاتجاه ، تدرس الظواهر على المستوى المحلي (المحلي) الكهربائيه التأثيرات الفيزيائية أو المغناطيسية أو الميكانيكية على الأجسام النانوية المنفذة بمساعدة الميكروبات النانوية والمعالجات الخاصة.تحت الثالثأحدد الاتجاهاتتي الخصائص الحركية الكبرى لتجمعات الأجسام النانوية ووظائف التوزيعلكن notel بواسطة معلمات الحالة.

كيمياء النانو التطبيقيةيشمل:

• تطوير الأسس النظرية لاستخدام النظم النانوية في الهندسة وتكنولوجيا النانوحول ology ، طرق التنبؤ بتطوير أنظمة نانوية محددة في ظل ظروفها ومن الاستخدام ، وكذلك البحث عن طرق التشغيل المثلى (التقنيةلكن لا الكيمياء).
• إنشاء نماذج نظرية لسلوك النظم النانوية في تركيب النانوه الريالات والبحث عن الظروف المثلى لإنتاجها (كيمياء نانوية تركيبية).
• دراسة النظم النانوية البيولوجية وخلق طرق لاستخدام النانوو ينبع للأغراض الطبية (كيمياء النانو الطبية).
• تطوير النماذج النظرية لتكوين وهجرة الجسيمات النانوية في البيئةفي البيئة المعيشية وطرق تنقية المياه الطبيعية أو الهواء من الجسيمات النانوية (ecحول كيمياء النانو المنطقية).

§خمسة. طرق الحصول على الجسيمات النانوية

من حيث المبدأ ، يمكن تقسيم جميع طرق تخليق الجسيمات النانوية إلى مجموعتين كبيرتين:

طرق التشتت، أو طرق الحصول على الجسيمات النانوية عن طريق طحن عينة كبيرة تقليدية

طرق التكثيف، أو طرق "إنماء" الجسيمات النانوية من الذرات الفردية.

طرق التشتت

باستخدام طرق التشتت ، يتم طحن الأجسام الأولية إلى جزيئات نانوية. هذا النهج للحصول على الجسيمات النانوية يسمى مجازيًا من قبل بعض العلماء"نهج من أعلى إلى أسفل" . هذا هو أبسط الطرق لخلق الجسيمات النانوية ، نوع من "اللحوم".حول قطع "للأجسام الكبيرة. تستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في إنتاج المواد للإلكترونيات الدقيقة ، وهي تتكون من تقليل حجم الأشياء إلى مقياس نانوي في حدود قدرات المعدات الصناعية والمواد المستخدمة. وح من الممكن طحن مادة ما إلى جزيئات نانوية ليس فقط ميكانيكيًا. تحصل الشركة الروسية Advanced Powder Technologies على جزيئات نانوية عن طريق تفجير خيط معدني بنبض تيار قوي.

هناك أيضًا طرق أكثر غرابة للحصول على الجسيمات النانوية. جمع العلماء الأمريكيون في عام 2003 الكائنات الحية الدقيقة من أوراق شجرة التينرودوكوكس - وضعها في محلول يحتوي على ذهب. عملت البكتيريا كمادة كيميائيةمن الأول ، يجمع الجسيمات النانوية الأنيقة التي يبلغ قطرها حوالي 10 نانومتر من أيونات الفضة. من خلال بناء الجسيمات النانوية ، شعرت البكتيريا بأنها طبيعية واستمرت في التكاثر.

تكثيفطرق

مع طرق التكثيف ("نهج من أسفل إلى أعلى") تحصل على جزيئات نانوية nفي موضوعات توحيد الذرات الفردية. الطريقة تكمن في حقيقة أن في السيطرةمن الظروف ، تتشكل مجموعات الذرات والأيونات. نتيجة لذلك ، يتم تكوين كائنات جديدة بهياكل جديدة ، وبالتالي بخصائص جديدة يمكن برمجتها عن طريق تغيير شروط تكوين المجموعات. هذا واحد مند تسهل هذه الخطوة حل مشكلة تصغير الكائنات ، وتقرب من حل عدد من مشاكل الطباعة الحجرية عالية الدقة ، وإنشاء معالجات دقيقة جديدة ، وأفلام بوليمر رفيعة ، وأشباه موصلات جديدة.

§6. المواد النانوية وآفاق تطبيقها

تمت صياغة مفهوم المواد النانوية لأول مرة فيالثمانينيات من القرن العشرين بواسطة G.Gleiter، الذي أدخل المصطلح نفسه في الاستخدام العلمي - "مادة نانوية ". بالإضافة إلى المواد النانوية التقليدية (مثل العناصر والمركبات الكيميائية والمواد غير المتبلورة والمعادن وسبائكها) ، فهي تشمل الموصلات النانوية النانوية والبوليمرات النانوية ،لكن المواد المسامية والمساحيق النانوية والعديد من الهياكل النانوية الكربونية ،لكن المواد الحيوية ، التركيبات فوق الجزيئية والمحفزات.

العوامل التي تحدد الخصائص الفريدة للمواد النانوية، هي التأثيرات الأبعاد والإلكترونية والكمية للجسيمات النانوية التي تشكلها ، فضلاً عن سطحها شديد التطور. أظهرت العديد من الدراسات أنب تحدث تغييرات مهمة ومثيرة للاهتمام من الناحية الفنية في الخصائص الفيزيائية الميكانيكية للمواد النانوية (القوة والصلابة وما إلى ذلك) في نطاق حجم الجسيمات من عدةلكن أرقام تصل إلى 100 نانومتر. في الوقت الحاضر ، تم بالفعل الحصول على العديد من المواد النانوية القائمة على النيتريدات والبوريدات بحجم بلوري حوالي 1-2 نانومتر أو أقل.

بسبب الخصائص المحددة للجسيمات النانوية الكامنة وراءها ، مثل هذه الحصائره غالبًا ما يتفوق الريال على الريال "العادي" من نواح كثيرة. على سبيل المثال ، قوةل إن قوة الفولاذ التقليدي الذي يتم الحصول عليه عن طريق تقنية النانو أكبر من 1.5 إلى 3 مرات ، كما أن صلابته أكبر بنسبة 50-70 مرة ، ومقاومته للتآكل أكبر من 10 إلى 12 مرة.

تطبيقات المواد النانوية:

• عناصر الإلكترونيات النانوية والضوئيات النانوية (الترانزستورات والليزر أشباه الموصلات ، أجهزة الكشف الضوئية ، الخلايا الشمسية ، أجهزة الاستشعار المختلفة)
• أجهزة تسجيل المعلومات فائقة الكثافة
• الاتصالات السلكية واللاسلكية والمعلومات وتقنيات الحوسبة ، supeص أجهزة الكمبيوتر
• معدات الفيديو - الشاشات المسطحة ، والشاشات ، وأجهزة عرض الفيديو
• الأجهزة الإلكترونية الجزيئية ، بما في ذلك المفاتيح والدوائر الإلكترونية على المستوى الجزيئي
• خلايا الوقود وأجهزة تخزين الطاقة
• أجهزة الميكانيكا الدقيقة والنانوية ، بما في ذلك المحركات الجزيئية والمحركات النانوية والروبوتات النانوية
• الكيمياء النانوية والحفز ، بما في ذلك التحكم في الاحتراق والطلاء والكهرباءل trochemistry and الصيدلانية
• تطبيقات الطيران والفضاء والدفاعأنا بيئة
• توصيل الأدوية والبروتينات المستهدفة ، البوليمرات الحيوية وشفاء الأنسجة البيولوجية ، التشخيصات السريرية والطبية ، تكوين عضلات اصطناعيةفي صيد الأسماك والعظام وزرع الأعضاء الحية
• الميكانيكا الحيوية ، علم الجينوم ، المعلوماتية الحيوية ، الآلات الحيوية
• تسجيل وتحديد الأنسجة المسببة للسرطان ومسببات الأمراض والعوامل الضارة بيولوجيا ؛ السلامة في الزراعة وإنتاج الغذاء.

منطقة أومسك جاهزة لتطوير تقنيات النانو

يعد تطوير تقنيات النانو أحد المجالات ذات الأولوية لتطوير العلوم والتكنولوجيا والهندسة في منطقة أومسك.

وهكذا ، في فرع أومسك لمعهد فيزياء أشباه الموصلات التابع لفرع سيبيريا التابع للأكاديمية الروسيةح تطوير الإلكترونيات النانوية ، وفي معهد مشاكل معالجة الهيدروكربون ، فرع سيبيريا التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، يجري العمل للحصول على ناقلات الكربون النانوية والمحفزات.

مصادر المعلومات:

• http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
• http://www.rambler.ru/news
• ht tp: // نانومتر
• http://www.nanonewsnet.ru/ 67 كيلو بايت معدات الدروس: عرض تقديمي بداية الحرب الوطنية العظمى ، حيث تم استخدام خريطة الفترة الأولى للحرب ؛ أجزاء من الأفلام الوثائقية عن الحرب ؛ مخطط حول استعداد ألمانيا واتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية للحرب ؛ معرض للكتب المخصصة للحرب الوطنية العظمى ...