ナノ化学とナノテクノロジー。 ナノ化学-ゴードンプログラムアーカイブ。 ナノ粒子の入手方法
遠隔教育コースは、機能性材料およびナノ材料を取得するための有望な技術の開発のための専門家のトレーニングの分野における効果的な追加教育および高度なトレーニングの最新の形式です。 これは、世界中で発展している現代教育の最も有望な形態の1つです。 ナノマテリアルやナノテクノロジーなどの学際的な分野で知識を得るこの形式は、特に関連性があります。 遠隔コースの利点は、その可用性、教育ルートの構築における柔軟性、学生との対話プロセスの効率と有効性の向上、フルタイムと比較した費用対効果ですが、それでも遠隔学習と調和して組み合わせることができます。 ナノ化学とナノ材料の基本原理の分野では、モスクワ州立大学ナノテクノロジー科学教育センターのビデオ資料が用意されています。
- 。 ナノシステムとナノテクノロジーに関する科学の基本的な概念と定義。 ナノテクノロジーの出現とナノシステムの科学の歴史。 学際性と総合科学。 ナノオブジェクトとナノシステムの例、それらの機能と技術的応用。 ナノテクノロジーの目的と方法。 ナノテクノロジーの開発の原則と展望。
- 。 ナノシステムの形成のための基本原理。 物理的および化学的方法。 「上から下へ」ナノオブジェクトを取得するためのプロセス。 古典的な「ソフト」、ミクロスフェア、イオンビーム（FIB）、AFM-リソグラフィーおよびナノインデンテーション。 ナノオブジェクトのメカノ活性化とメカノ合成。 ナノオブジェクトを「ボトムアップ」で取得するためのプロセス。 気体および凝縮媒体における核形成プロセス。 不均一核形成、エピタキシーおよびヘテロエピタキシー。 スピノーダル崩壊。 アモルファス（ガラス状）マトリックスでのナノオブジェクトの合成。 化学的均質化法（共沈、ゾルゲル法、低温化学技術、エアロゾル熱分解、ソルボサーマル処理、超臨界乾燥）。 ナノ粒子とナノオブジェクトの分類。 ナノ粒子を取得して安定化するための技術。 ナノ粒子の凝集と脱凝集。 一次元および二次元ナノリアクターでのナノ材料の合成。
- 。 ナノシステムの統計物理学。 小規模システムにおける相転移の特徴。 分子内および分子間相互作用の種類。 疎水性と親水性。 自己組織化と自己組織化。 ミセル化。 自己組織化単分子膜。 Langmuir-Blodgettフィルム。 分子の超分子組織。 分子認識。 高分子高分子、それらの調製方法。 ポリマーシステムにおける自己組織化。 ブロック共重合体のミクロ相分離。 デンドリマー、ポリマーブラシ。 高分子電解質の層状自己組織化。 超分子ポリマー。
- 。 物質、相、材料。 材料の階層構造。 ナノマテリアルとその分類。 無機および有機機能性ナノ材料。 ハイブリッド（有機無機および無機有機）材料。 バイオミネラリゼーションとバイオセラミック。 ナノ構造の1D、2D、および3D材料。 メソポーラス材料。 モレキュラーシーブ。 ナノコンポジットとその相乗効果。 構造ナノ材料。
- 。 触媒作用とナノテクノロジー。 不均一系触媒作用の基本原理と概念。 不均一系触媒の活性表面の形成に対する調製および活性化条件の影響。 構造に敏感な反応と構造に敏感でない反応。 ナノ粒子の熱力学的および速度論的特性の特異性。 電気触媒作用。 ゼオライトとモレキュラーシーブの触媒作用。 膜触媒作用。
- 。 構造材料および機能システム用のポリマー。 複雑な機能を実行できる「スマート」ポリマーシステム。 「スマート」システムの例（石油生産用のポリマー流体、スマートウィンドウ、燃料電池用のナノ構造膜）。 最も「スマートな」システムとしての生体高分子。 生体模倣アプローチ。 「スマート」ポリマーの特性を最適化するためのシーケンス設計。 生体高分子における配列の分子進化の問題。
- 。 化学電源用の新しい材料を作成する際の現状と問題点：固体酸化物燃料電池（SOFC）とリチウム電池について考察します。 電極材料としての使用の可能性を決定するさまざまな無機化合物の特性に影響を与える重要な構造的要因を分析します。SOFCの複合ペロブスカイトおよびリチウム電池の遷移金属（複合酸化物およびリン酸塩）の化合物です。 リチウム電池に使用され、有望であると認められている主なアノードおよびカソード材料が考慮されます：それらの利点と制限、およびナノ構造化によって複合材料の原子構造と微細構造の方向性のある変化によって制限を克服する可能性電流源の特性。
いくつかの問題は、本の次の章で説明されています（Binom出版社）：
ナノ化学、自己組織化およびナノ構造化表面に関する説明資料：
科学-人気のある「ビデオブック」：
ナノ化学および機能性ナノ材料の選択された章。
ナノテクノロジーの概念については、おそらく完全な定義はありませんが、現在存在するマイクロテクノロジーとの類推により、ナノテクノロジーはナノメートルのオーダーの値で動作するテクノロジーであるということになります。 したがって、「マイクロ」から「ナノ」への移行は、物質の操作から個々の原子の操作への定性的な移行です。 ナノテクノロジーの開発に関しては、3つの領域を念頭に置いています。分子や原子のサイズに匹敵するサイズの活性元素を備えた電子回路（体積回路を含む）の製造。 ナノマシンの開発と製造。 個々の原子や分子の操作とそれらからのマクロオブジェクトの組み立て。 これらの分野での開発は長い間続いています。 1981年に、個々の原子の移動を可能にするトンネル顕微鏡が作成されました。 トンネル効果は、ポテンシャル障壁によって最初の領域から分離された、古典的にアクセス可能な運動領域から別の領域への微粒子浸透の量子現象です。 発明された顕微鏡の基礎は、1ナノメートル未満のギャップで研究中の表面上を滑る非常に鋭い針です。 この場合、針の先端からの電子は、このギャップを通って基板にトンネルします。
しかし、表面の研究に加えて、新しいタイプの顕微鏡の作成は、ナノメートルサイズの元素を形成するための根本的に新しい方法を切り開きました。 原子の動き、特定のポイントでの原子の除去と堆積、および化学プロセスの局所的な刺激に関して、独自の結果が得られました。 それ以来、技術は大幅に改善されました。 今日、これらの成果は日常生活で使用されています。レーザーディスクの製造、さらには、ナノ技術的な制御方法を使用しないとDVDの製造は不可能です。
ナノ化学とは、ナノ分散した物質や材料の合成、ナノメートルサイズの物体の化学変換の制御、ナノ構造の化学的劣化の防止、ナノ結晶を使用した病気の治療方法です。
ナノ化学の研究分野は次のとおりです。
- -ナノマニピュレーターを使用して原子から大きな分子を組み立てる方法の開発。
- -機械的、電気的、磁気的影響下での原子の分子内転位の研究。 超臨界流体の流れにおけるナノ構造の合成; フラクタル、ワイヤーフレーム、管状および柱状ナノ構造の形成を伴う有向アセンブリの方法の開発。
- -超微細物質およびナノ構造の物理的および化学的進化の理論の開発; ナノ構造の化学的劣化を防ぐ方法の作成。
- -化学および石油化学産業向けの新しいナノ触媒を入手する。 ナノ結晶の触媒反応のメカニズムの研究。
- -音場における多孔質媒体のナノ結晶化メカニズムの研究; 生体組織におけるナノ構造の合成; 病状のある組織にナノ構造を形成することにより、疾患を治療する方法の開発。
- -ナノ結晶のグループにおける自己組織化の現象の研究; 化学修飾剤によるナノ構造の安定化を延長する新しい方法を探します。
- -期待される結果は、以下を提供するマシンの機能範囲になります。
- -分子への局所的影響下での分子内転位を研究するための方法論。
- -化学産業および実験室での実践のための新しい触媒。
- -幅広い作用を示す酸化物-希土類およびバナジウムナノ触媒。
- -技術的なナノ構造の化学的劣化を防ぐための方法論。
- -化学的劣化を予測する方法。
- -治療および手術用のナノドラッグ、歯科用のヒドロキシアパタイトに基づく製剤;
- -腫瘍内ナノ結晶化を実行し、音場を適用することによって腫瘍性疾患を治療するための方法。
- -ナノ結晶の直接凝集によってナノ構造を作成する方法。
- -ナノ構造の空間構成を調整する方法。
- -超微細活性相を備えた新しい化学センサー。 化学修飾によってセンサーの感度を上げる方法。
コースカリキュラム
| 新聞番号 | 教材 |
| 17 | 講義番号1。接頭辞「nano」の後ろに何が隠されていますか？ ナノサイエンスとナノ化学。 サイズ効果。 ナノオブジェクトの分類。（Eremin V.V.、Drozdov A.A.） |
| 18 | 講義番号2。ナノ粒子の合成と研究のための方法。 ナノ粒子の合成方法の分類。 化学合成法（「ボトムアップ」）。 ナノ粒子の可視化と研究の方法。（Eremin V.V.、Drozdov A.A.） |
| 19 | 講義番号3。ナノテクノロジー。 基礎研究と応用研究：ナノサイエンスとナノテクノロジーの関係。 機械的ナノデバイス。 磁性ナノ材料。 医学におけるナノテクノロジー。 ナノテクノロジーの開発。（Eremin V.V.、Drozdov A.A.） テストNo.1（締め切り-2009年11月25日） |
| 20 | 講義番号4。カーボンナノ材料。 同素体の炭素は「ナノ」であり、「ナノ」ではありません。 ナノダイヤモンド。 フラーレンとその誘導体。 ナノチューブ、その分類と特性。 カーボンナノフォームの一般的な特性。（エレミンV.V.） |
| 21 | 講義番号5。エネルギーのためのナノ材料。 従来の代替エネルギー源。 燃料電池のナノ材料。 水素貯蔵用のナノ材料。（エレミンV.V.） |
| 22 | 講義番号6。ナノ触媒。 触媒の一般的な特性。 触媒反応の分類。 構造とエネルギーの対応の原則。 ナノ粒子とゼオライトの触媒作用。（エレミンV.V.） テストNo.2（締め切り-2009年12月30日まで） |
| 23 | 講義番号7。オリンピアード問題におけるナノ化学。 1.簡単なタスク。 ナノ粒子を取得する方法。 ナノ粒子の構造。 ナノ粒子の特性。（エレミンV.V.） |
| 24 | 講義番号8。オリンピアード問題におけるナノ化学。 2.複雑な複合問題。 （エレミンV.V.） |
| 最終作業。 教育機関からの証明書を添えた最終作業に関する簡単なレポートは、2010年2月28日までに教育大学に送信する必要があります。 （最終作品の詳細は講義第8号以降に公開されます。） |
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V.V. EREMIN、
A.A. DROZDOV
講義＃1
接頭辞「nano」の後ろに何が隠されていますか？
ナノサイエンスとナノケミストリー
近年、新聞の見出しや雑誌の記事で、接頭辞「nano」で始まる単語に出くわすことが増えています。 ラジオやテレビでは、ほぼ毎日、ナノテクノロジーの開発の見通しと最初に得られた結果について知らされています。 「なの」とはどういう意味ですか？ それはラテン語から来ています nanus-「矮星」であり、文字通り小さな粒子サイズを示します。 接頭辞「ナノ」には、科学者はより正確な意味、つまり10億分の1を入れています。 たとえば、1ナノメートルは10億分の1メートル、つまり0.000,000,001 m（10〜9 m）です。
なぜナノスケールが科学者の注目を集めたのですか？ 思考実験をしましょう。 エッジが1mの金の立方体を想像してみてください。重さは19.3トンで、膨大な数の原子が含まれています。 この立方体を8つの等しい部分に分割しましょう。 それぞれが元の半分のサイズのエッジを持つ立方体です。 総面積は2倍になりました。 ただし、この場合、金属自体の特性は変化しません（図1）。 このプロセスをさらに継続します。 立方体のエッジの長さが大きな分子のサイズに近づくとすぐに、物質の特性は完全に異なります。 ナノレベルに到達しました。 得られた立方体の金ナノ粒子。 それらは全体的に巨大な表面積を持っているため、多くの珍しい特性があり、通常の金のようには見えません。 たとえば、金のナノ粒子を水中に均一に分散させて、コロイド溶液（ゾル）を形成することができます。 粒子サイズに応じて、金のゾルはオレンジ、紫、赤、さらには緑の色になる場合があります（図2）。
化合物からの還元による金ゾルの調製の歴史は、遠い過去に根ざしています。 それらは古代人によって言及され、金から得られた「生命の秘薬」であった可能性があります。 16世紀に生きた有名な医師パラケルススは、「可溶性金」の調製とその医学での使用について言及しています。 金コロイドに関する科学的研究は19世紀に始まったばかりです。 興味深いことに、その時点で準備されたソリューションのいくつかはまだ保存されています。 1857年、英国の物理学者M.ファラデーは、溶液の明るい色が懸濁液中の金の小さな粒子によるものであることを証明しました。 現在、コロイド金は、トルエン中の水素化ホウ素ナトリウムに界面活性剤を添加して還元することにより、クロロ金酸から得られます。これにより、ゾルの安定性が向上します（講義7、タスク1を参照）。
個々の原子からナノ粒子を取得するためのそのようなアプローチに注意してください。 サイズが下から上へ、しばしば昇順と呼ばれます（eng。- 一気飲み）。 これは、ナノ粒子を合成するための化学的方法の特徴です。 金の棒を分割することについて説明した思考実験では、反対のアプローチを取りました-トップダウン（ トップダウン）、これは、原則として、物理的方法による粒子の断片化に基づいています（図3）。
化学実験室だけでなく、美術館でも金ナノ粒子と出会うことができます。 溶融ガラスに少量の金化合物を導入すると、ナノ粒子が形成されて分解します。 「ゴールデンルビー」と呼ばれる真っ赤な色をガラスに与えるのは彼らです。
ナノオブジェクトを含む材料で、人類は何世紀も前に知り合いになりました。 中世のシリア（首都ダマスカスや他の都市）では、彼らは強く、鋭く、響き渡る刃とサーベルを作る方法を学びました。 ダマスカス鋼を長年製造する秘訣は、マスターから秘密裏に受け継がれてきました。 ダマスカスよりも特性が劣っていない武器鋼は、他の国々、つまりインド、日本でも製造されました。 そのような鋼の定性的および定量的分析は、科学者がこれらの材料のユニークな特性を説明することを可能にしませんでした。 通常の鋼と同様に、鉄とともに約1.5重量％の炭素を含んでいます。 ダマスカス鋼の組成には、一部の鉱石の鉄に付随するマンガンや、鉱石からの回収過程で鉄と石炭が相互作用する際に形成されるセメンタイト、鉄カーバイドFe 3Cなどの金属不純物も検出されました。 。 しかし、ダマスカスとまったく同じ量の組成の鋼を準備したため、科学者はオリジナルに固有の特性を達成することができませんでした。
材料を分析するときは、まずその構造に注意を払う必要があります！ ダマスカス鋼を塩酸に溶かしたドイツの科学者たちは、そこに含まれる炭素が通常の平らなグラファイトフレークではなく、炭素を形成することを発見しました。 ナノチューブ。 これは、グラファイトの1つまたは複数の層をねじって円柱にすることによって得られる粒子の名前です。 ナノチューブの内側には空洞があり、ダマスカス鋼ではセメンタイトで満たされていました。 この物質の最も細い糸は、個々のナノチューブを互いに結合し、材料に並外れた強度、粘度、弾性を与えます。 今、彼らはカーボンナノチューブを大量に生産する方法を学びましたが、中世の「技術者」がどうやってカーボンナノチューブを入手したのかはまだ謎です。 科学者たちは、燃えている木から鋼に落ちた石炭からのナノチューブの形成は、いくつかの不純物と、製品の加熱と冷却を繰り返す特別な温度レジームによって促進されたと示唆しています。 これはまさに、職人が所有していた長年にわたって失われた秘密でした。
ご覧のとおり、ナノ物質とナノ材料の特性は、同じ定性的および定量的組成を持つが、ナノ粒子を含まないオブジェクトの特性とは大きく異なります。
中世では、今日私たちがナノマテリアルと呼ぶ物質の作成は、経験的にアプローチされました。 長年の経験を通じて、その多くは失敗に終わりました。 職人は自分たちが行った行動の意味については考えていませんでしたし、これらの物質や材料の構造についての基本的な考えさえ持っていませんでした。 現在、ナノマテリアルの作成は科学的活動の対象となっています。 科学用語はすでに「ナノサイエンス」という用語を確立しています（Eng。 ナノサイエンス）、これはナノメートルサイズの粒子の研究領域を示します。 ロシア語の音声学の観点から、この名前はあまり成功していないので、これも一般的に受け入れられている別の「ナノスケール科学」（eng.-）を使用できます。 ナノスケール科学).
ナノサイエンスは、化学、物理学、材料科学、コンピューター技術の交差点で発展しています。 それは多くのアプリケーションを持っています。 電子機器にナノマテリアルを使用すると、ストレージデバイスの容量が1,000倍になり、サイズが小さくなると予想されます。 X線照射と組み合わせて体内に金ナノ粒子を導入すると、癌細胞の増殖が抑制されることが証明されています。 興味深いことに、金ナノ粒子自体には治癒効果がありません。 それらの役割は、X線を吸収して腫瘍に向けることに限定されます。
医師はまた、腫瘍性疾患を診断するためのバイオセンサーの臨床試験の完了を待っています。 ナノ粒子は、薬物を体組織に送達し、難溶性薬物の吸収効率を高めるためにすでに使用されています。 銀ナノ粒子を包装フィルムに適用すると、製品の貯蔵寿命を延ばすことができます。 ナノ粒子は、新しいタイプの太陽電池や燃料電池、つまり燃料の燃焼エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスで使用されています。 将来的には、火力発電所や自動車の内燃機関での炭化水素燃料の燃焼を断念することが可能になり、地球環境の悪化に最も大きく貢献しているのです。 したがって、ナノ粒子は、環境に優しい材料とエネルギー生産の方法を作成するタスクを果たします。
ナノサイエンスのタスクは、ナノオブジェクト（物質および材料）の機械的、電気的、磁気的、光学的および化学的特性の研究に限定されます。 ナノ化学ナノサイエンスの構成要素の一つとして、合成法の開発やナノオブジェクトの化学的性質の研究に取り組んでいます。 ナノオブジェクトは多くの材料の一部であるため、これは材料科学と密接に関連しています。 天然タンパク質に関連する物質、または薬物を運ぶのに役立つナノカプセルの合成を含む、ナノ化学の医学的応用は非常に重要です。
ナノサイエンスの成果は、開発の基礎として機能します ナノテクノロジー–ナノオブジェクトの製造と応用の技術的プロセス。 ナノテクノロジーは、学校の化学コースで検討されている化学産業の例とほとんど共通点がありません。 これは驚くべきことではありません。結局のところ、ナノテクノロジストは1〜100nmのサイズのオブジェクトを操作する必要があります。 個々の大きな分子のサイズを持っています。
ナノテクノロジーの厳密な定義があります*： これは、構造、デバイス、およびシステムの研究、設計、製造、および使用に使用される一連の方法と手法であり、構成するナノスケール要素（1〜100 nm）の形状、サイズ、統合、および相互作用の対象を絞った制御と変更が含まれます。新しい化学的物理的および生物学的特性を持つオブジェクトを取得します。この定義の鍵は最後の部分であり、ナノテクノロジーの主なタスクは新しい特性を持つオブジェクトを取得することであることを強調しています。
寸法効果
ナノ粒子は通常、原子、イオン、または分子で構成され、サイズが100nm未満のオブジェクトと呼ばれます。 金属粒子はその一例です。 金ナノ粒子についてはすでに話しました。 そして、白黒写真では、光がフィルムに当たると、臭化銀が分解します。 それは、数十または数百の原子からなる金属銀の粒子の出現につながります。 古くから、銀と接触する水が病原菌を殺すことができることが知られています。 そのような水の治癒力は、その中の銀の最小粒子の含有量によって説明されます、これらはナノ粒子です！ サイズが小さいため、これらの粒子は、個々の原子と、銀のインゴットなどの数十億の原子からなるバルク材料の両方で特性が異なります。
色、熱伝導率、電気伝導率、融点など、物質の多くの物理的特性は粒子サイズに依存することが知られています。 たとえば、5 nmのサイズの金ナノ粒子の融解温度は、通常の金の融解温度よりも250°低くなっています（図4）。 金ナノ粒子のサイズが大きくなると、融点が高くなり、1337 Kの値に達します。これは、従来の材料（バルク相またはマクロ相とも呼ばれます）で一般的です。
ガラスは、可視光の波長に匹敵する寸法の粒子を含む場合、色を取得します。 ナノサイズです。 これは、さまざまなサイズの金属ナノ粒子またはそれらの酸化物を含む中世のステンドグラスの窓の明るい色を説明しています。 また、材料の電気伝導率は、平均自由行程（原子との2つの衝突の間で電子が移動する距離）によって決まります。 また、ナノメートルで測定されます。 金属ナノ粒子のサイズがこの距離よりも小さいことが判明した場合、通常の金属の特徴ではない、材料の特殊な電気的特性の出現を期待する必要があります。
したがって、ナノオブジェクトは、サイズが小さいだけでなく、材料の不可欠な部分として機能する、それらが示す特別な特性によっても特徴付けられます。 たとえば、ガラスの「ゴールデンルビー」または金のコロイド溶液の色は、1つの金ナノ粒子ではなく、それらの集合体によって引き起こされます。 互いに一定の距離にある多数の粒子。
1000個以下の原子を含む個々のナノ粒子は ナノクラスター。 このような粒子の特性は、膨大な数の原子を含む結晶の特性とは大きく異なります。 これは、表面の特別な役割によるものです。 確かに、固体を含む反応は、ボリュームではなく、表面で発生します。 一例は、亜鉛と塩酸の相互作用です。 よく見ると、亜鉛の表面に水素の泡ができており、深部にある原子は反応に関与していないことがわかります。 なぜなら、表面に横たわっている原子はより多くのエネルギーを持っているからです。 それらは、結晶格子内の隣接物が少なくなっています。 粒子サイズが徐々に減少すると、総表面積が増加し、表面上の原子の割合が増加し（図5）、表面エネルギーの役割が増加します。 これは、ほとんどの原子が表面にあるナノクラスターで特に高くなります。 したがって、たとえば、ナノゴールドが通常の金よりも何倍も化学的に活性であることは驚くべきことではありません。 たとえば、TiO 2の表面に堆積した55個の原子（直径1.4 nm）を含む金ナノ粒子は、大気中の酸素によるスチレンのベンズアルデヒドへの選択的酸化（ 自然, 2008):
C 6 H 5 -CH \ u003d CH 2 + O 2-> C 6 H 5 -CH \ u003d O + H 2 O、
一方、直径が2 nmを超える粒子、さらには通常の金は、触媒活性をまったく示しません。
アルミニウムは空気中で安定しており、アルミニウムナノ粒子は大気中の酸素によって瞬時に酸化され、酸化物Al 2 O3に変化します。 研究によると、空気中で直径80 nmのアルミニウムナノ粒子は、厚さ3〜5nmの酸化物層で生い茂っています。 別の例：通常の銀は希酸（硝酸を除く）に不溶性であることはよく知られています。 ただし、非常に小さい銀ナノ粒子（5原子以下）は、酢酸などの弱酸でも水素を放出して溶解します。これは、溶液の酸性度をpH = 5にするのに十分です（講義番号8を参照）。 、タスク4）。
ナノ粒子の物理的および化学的特性のサイズへの依存性は、 サイズ効果。 これは、ナノ化学における最も重要な効果の1つです。 彼はすでに古典科学の観点からの理論的説明、すなわち化学熱力学を見つけました。 したがって、融点のサイズへの依存性は、ナノ粒子内の原子が追加の表面圧力を経験し、それがギブズエネルギーを変化させるという事実によって説明されます（講義8、タスク5を参照）。 ギブスエネルギーの圧力と温度への依存性を分析すると、融解温度とナノ粒子の半径に関連する方程式を簡単に導き出すことができます。これはギブス-トムソン方程式と呼ばれます。
どこ T pl（ r）は、ナノ粒子の半径を持つナノオブジェクトの融解温度です。 r, T pl（）-通常の金属の融点（バルク相）、固体-l-液相と固相の間の表面張力、 H plは比熱の融解、tvは固体の密度です。
この式を使用して、ナノフェーズの特性が従来の材料の特性とどのサイズから異なり始めるかを推定することができます。 基準として、融点の差を1％とします（金の場合、これは約14°Cです）。 「BriefChemicalReference」（著者-V.A. Rabinovich、Z.Ya。Khavin）で、金について次のことがわかります。 H pl \ u003d 12.55 kJ / mol \ u003d 63.71 J / g、tv \ u003d 19.3 g / cm3。 表面張力に関する科学文献では、固体の値-l \ u003d 0.55 N / m \ u003d 5.5–10 -5 J / cm2が示されています。 これらのデータで不等式を解いてみましょう。
この推定値は、かなり大まかなものですが、ナノ粒子の限界サイズについて話すときに通常使用される100nmの値とよく相関しています。 もちろん、ここでは融解熱の温度への依存性と表面張力の粒子サイズへの依存性を考慮していません。科学的研究の結果から明らかなように、後者の影響は非常に重要です。
計算と定性的な説明によるサイズ効果の他の多くの例は、講義＃7と＃8で与えられます。
ナノオブジェクトの分類
ナノオブジェクトを分類するには、さまざまな方法があります。 それらの最も単純なものによれば、すべてのナノオブジェクトは、固体（「外部」）と多孔性（「内部」）（スキーム）の2つの大きなクラスに分けられます。
図式
ナノオブジェクトの分類
（B.V.ロマノフスキー教授の講演より）
固体オブジェクトは次元によって分類されます：1）3次元（3D）構造、それらはナノクラスターと呼ばれます（ 集まる-蓄積、束）; 2）平らな2次元（2D）オブジェクト-ナノフィルム; 3）線形一次元（1D）構造-ナノワイヤー、またはナノワイヤー （ナノワイヤー）; 4）ゼロ次元（0D）オブジェクト-ナノドット、または量子ドット。 多孔質構造には、ナノチューブ（講義4を参照）およびアモルファスケイ酸塩などのナノ多孔質材料（講義No. 8、タスク2を参照）が含まれます。
もちろん、この分類は、他の分類と同様に、網羅的ではありません。 それは、かなり重要なクラスのナノ粒子、つまり超分子化学の方法によって得られた分子集合体をカバーしていません。 次の講義で見ていきます。
最も活発に研究されている構造のいくつかは ナノクラスター-金属原子または比較的単純な分子で構成されています。 クラスターのプロパティはサイズ（サイズ効果）に非常に強く依存するため、クラスターのサイズ（表）に応じて独自の分類が作成されています。
テーブル
サイズによる金属ナノクラスターの分類
（B.V.ロマノフスキー教授の講演より）
| ナノクラスター内の原子数 | 直径、nm | 表面の原子の割合、％ | 内層の数 | クラスタータイプ |
| 1 | 0,24 – 0,34 | 100 | 0 | – |
| 2 | 0,45 – 0,60 | 100 | 0 | – |
| 3 – 12 | 0,55 – 0,80 | 100 | 0 | 小さい |
| 13 – 100 | 0,8 – 2,0 | 92 – 63 | 1 – 3 | 平均 |
| 10 2 – 10 4 | 2 – 10 | 63 – 15 | 4 – 18 | 大きい |
| 10 4 – 10 5 | 10 – 30 | 15 – 2 | > 18 | ジャイアント |
| > 10 6 | > 30 | < 2 | 多く | コロイド 粒子 |
ナノクラスターの形状は、特に少数の原子の場合、サイズに大きく依存することが判明しました。 実験的研究の結果は、理論計算と組み合わせて、13原子と14原子を含む金ナノクラスターは、16原子の場合は3次元構造の平坦な構造を持ち、20原子の場合はそれらが面を形成することを示しました。通常の金の構造に似た中心の立方体のセル。 原子数がさらに増えると、この構造は維持されるべきであるように思われます。 ただし、そうではありません。 気相中の24個の金原子からなる粒子は、異常な細長い形状をしています（図6）。 化学的方法を使用して、表面からクラスターに他の分子を付着させることが可能であり、それらをより複雑な構造に組織化することができます。 ポリスチレン分子のフラグメントと結合した金ナノ粒子[–CH 2 –CH（C 6 H 5）–] nまたは酸化ポリエチレン（–CH 2 CH 2 O–） n、それらが水に入ると、それらはポリスチレンフラグメントによってコロイド粒子に似た円筒形の凝集体（ミセル）に結合され、それらのいくつかは1000nmの長さに達します。 科学者たちは、そのような物体が抗癌剤や触媒として使用できることを示唆しています。
ゼラチンや寒天などの天然高分子も、金ナノ粒子を溶液に移す物質として使用されます。 それらをクロロ金酸またはその塩で処理し、次に還元剤で処理することにより、水に可溶で、金コロイド粒子を含む明るい赤色の溶液を形成するナノ粉末が得られます。 （金属ナノクラスターの構造と特性の詳細については、講義7、タスク1および4を参照してください。）
興味深いことに、ナノクラスターは通常の水にも存在します。 それらは、水素結合によって互いに接続された個々の水分子の凝集体です。 室温および大気圧の飽和水蒸気では、1,000万個の単一水分子あたり10,000（H 2 O）2ダイマー、10サイクリックトリマー（H 2 O）3および1テトラマー（H 2 O）4が存在すると計算されます。 。 液体の水では、数十、さらには数百の水分子から形成された、はるかに大きな分子量の粒子も発見されています。 それらのいくつかは、個々の分子の接続の形式と順序が異なるいくつかの異性体修飾で存在します。 特に多くのクラスターは、融点近くの低温の水中に見られます。 このような水は、氷に比べて密度が高く、植物によく吸収されるという特殊な特性が特徴です。 これは、物質の特性がその定性的または定量的組成だけでなく決定されるという事実の別の例です。 化学式だけでなく、ナノレベルを含むその構造。
他のナノオブジェクトの中で、ナノチューブは最も徹底的に研究されてきました。 これは、数ナノメートルの寸法の長引く円筒形の構造に付けられた名前です。 カーボンナノチューブは、1951年にソビエトの物理学者L.V.RadushkevichとV.M.Lukyanovichによって最初に発見されましたが、1年後に国内の科学雑誌に掲載されたそれらの出版物は見過ごされていました。 1990年代に外国人研究者が働いた後、彼らへの関心が再び高まった。 カーボンナノチューブは鋼の100倍の強度があり、その多くは熱と電気の優れた伝導体です。 ダマスカス刃について話すとき、すでにそれらについて言及しました。 カーボンナノチューブについては、講義4で詳しく学びます。
最近、科学者たちは窒化ホウ素のナノチューブや、金などのいくつかの金属を合成することに成功しました（図7 pを参照してください。 14）。 強度の点では、カーボンよりも大幅に劣りますが、直径がはるかに大きいため、比較的大きな分子でも含めることができます。 金のナノチューブを得るために、加熱は必要ありません-すべての操作は室温で実行されます。 粒子サイズが14nmの金のコロイド溶液を、多孔質アルミナで満たされたカラムに通します。 この場合、金のクラスターは酸化アルミニウム構造に存在する細孔に詰まり、互いにナノチューブに結合します。 形成されたナノチューブを酸化アルミニウムから解放するために、粉末は酸で処理されます-酸化アルミニウムが溶解し、金のナノチューブが容器の底に沈殿し、顕微鏡写真の藻に似ています。
一次元ナノオブジェクトの例は次のとおりです。 ナノスレッド、 また ナノワイヤー-これは、断面積が10nm未満の拡張ナノ構造の名前です。 この桁違いで、オブジェクトは特別な量子特性を示し始めます。 長さ10cm、直径3.6 nmの銅ナノワイヤーを、同じワイヤーで直径0.5mmと比較してみましょう。 通常のワイヤーのサイズは原子間の距離の何倍も大きいので、電子はすべての方向に自由に動きます。 ナノワイヤでは、電子は一方向にのみ自由に移動できます-ワイヤに沿って移動できますが、横切って移動することはできません。 その直径は、原子間の距離のほんの数倍です。 物理学者は、ナノワイヤでは、電子は横方向に局在化し、縦方向に非局在化すると言います。
金属（ニッケル、金、銅）および半導体（シリコン）、誘電体（酸化シリコン）の既知のナノワイヤー。 特別な条件下でのシリコン蒸気と酸素のゆっくりとした相互作用により、小枝のようにサクランボに似た球状のシリカ層がぶら下がっている酸化シリコンナノワイヤーを得ることができます。 このような「ベリー」のサイズはわずか20ミクロン（µm）です。 分子ナノワイヤーはやや離れており、その一例がDNA分子であり、遺伝情報の管理者です。 少数の無機分子ナノワイヤーは、硫化モリブデンまたはセレン化物です。 これらの化合物の1つの構造の断片を図1に示します。 8.プレゼンスのおかげで d-モリブデン原子の電子と部分的に満たされたのオーバーラップ d-この物質が電流を伝導する軌道。
ナノワイヤーの研究は現在、研究室レベルで行われています。 しかし、新世代のコンピューターを作成する際に需要があることはすでに明らかです。 半導体ナノワイヤーは、従来の半導体と同様に、次のようにドープすることができます** R- また n-タイプ。 すでに作成されたナノワイヤーに基づいて p–n-異常に小さいサイズで遷移します。 このように、ナノエレクトロニクスの開発のための基盤は徐々に作成されています。
ナノファイバーの強度が高いため、ポリマーを含むさまざまな材料を強化して、剛性を高めることができます。 また、リチウムイオン電池の従来のカーボンアノードをシリコンナノワイヤーでコーティングされたスチールアノードに置き換えることで、この電流源の容量を1桁増やすことができました。
二次元ナノオブジェクトの例は次のとおりです。 ナノフィルム。 厚みが非常に薄いため（1つまたは2つの分子のみ）、光を透過し、目には見えません。 ポリスチレンやその他のポリマーで作られたポリマーナノコーティングは、コンピューター画面、携帯電話の窓、眼鏡レンズなど、日常生活で使用される多くのアイテムを確実に保護します。
サイズが10〜50 nmまでの半導体の単一ナノ結晶（たとえば、硫化亜鉛ZnSまたはセレン化カドミウムCdSe）は、 量子ドット。 それらはゼロ次元のナノオブジェクトと見なされます。 このようなナノオブジェクトには、10万から10万の原子が含まれています。 量子半導体に照射すると、「電子正孔」対（励起子）が現れ、量子ドット内での移動が全方向に制限されます。 このため、励起子のエネルギー準位は離散的です。 励起状態から基底状態に移行すると、量子ドットは発光し、波長はドットのサイズに依存します。 この機能は、次世代のレーザーやディスプレイの開発に使用されています。 量子ドットは、生物学的ラベル（マーカー）としても使用でき、特定のタンパク質に接続します。 カドミウムはかなり毒性があるため、セレン化カドミウムをベースにした量子ドットの製造では、硫化亜鉛の保護シェルでコーティングされています。 そして、生物学的用途に必要な水溶性量子ドットを得るために、亜鉛は小さな有機配位子と組み合わされます。
科学者によってすでに作成されたナノ構造の世界は非常に豊かで多様です。 その中には、私たちの通常の世界のほとんどすべてのマクロオブジェクトの類似物を見つけることができます。 それはそれ自身の動植物、それ自身の月の風景と迷宮、混沌と秩序を持っています。 ナノ構造のさまざまな画像の大規模なコレクションは、www.nanometer.ruで入手できます。 これらすべてが実用的なアプリケーションを見つけますか？ もちろん違います。 ナノサイエンスはまだ非常に若いです-それはたった20歳です！ そして、他の若い生物と同様に、それは非常に急速に発達し、恩恵を受け始めたばかりです。 これまでのところ、ナノサイエンスの成果のごく一部だけがナノテクノロジーのレベルに到達していますが、実装の割合は絶えず増加しており、数十年後には私たちの子孫は困惑するでしょう-どうして私たちはナノテクノロジーなしで存在できるのでしょうか！
質問
1.ナノサイエンスとは何ですか？ ナノテクノロジー？
2. 「すべての物質にはナノレベルがある」というフレーズにコメントしてください。
3. ナノサイエンスにおけるナノ化学の位置を説明してください。
4. 講義の本文に記載されている情報を使用して、1 m3および1nm3の金原子の数を推定します。
答え. 5,9 10 28 ; 59.
5. ナノサイエンスの創始者の一人であるアメリカの物理学者R.ファインマンは、1959年に、個々の原子の機械的操作の理論的可能性について語り、有名になったフレーズを次のように述べています。 （「下部には十分なスペースがあります」）。 科学者の発言をどのように理解しますか？
6. ナノ粒子を取得する物理的方法と化学的方法の違いは何ですか？
7. 用語の意味を説明してください：「ナノ粒子」、「クラスター」、「ナノチューブ」、「ナノワイヤー」、「ナノフィルム」、「ナノ粉末」、「量子ドット」。
8. 「サイズ効果」という用語の意味を説明してください。 どのようなプロパティが表示されますか？
9. 銅ナノパウダーは、銅線とは異なり、ヨウ化水素酸にすばやく溶解します。 それをどのように説明しますか？
10. ナノ粒子を含む金のコロイド溶液の色が通常の金属の色と異なるのはなぜですか？
11. 球状の金ナノ粒子の半径は1.5nmで、金原子の半径は0.15nmです。 ナノ粒子に含まれる金原子の数を推定します。
答え. 1000.
12. Au 55粒子はどのタイプのクラスターに属しますか？
13. 大気中の酸素によるスチレンの酸化中に、ベンズアルデヒド以外にどのような生成物が生成される可能性がありますか？
14. 氷を溶かして得られる水と蒸気の凝縮によって形成される水との類似点と相違点は何ですか？
15. 次元3のナノオブジェクトの例を挙げてください。 2; 1; 0。
文学
ナノテクノロジー。 みんなのためのABC。 エド。 acad。 トレチャコフ美術館 モスクワ：Fizmatlit、2008; セルゲイフG.B.ナノ化学。 M。：ブックハウス大学、2006年; ラトナーM.、ラトナーD.ナノテクノロジー。 別の素晴らしいアイデアの簡単な説明。 モスクワ：ウィリアムズ、2007年; リバルキナM。皆のためのナノテクノロジー。 M.、2005; メンシュティナN.V.。 ナノテクノロジー入門。 カルガ：科学文献の出版社Bochkareva N.F.、2006; Lalayants I.E.ナノ化学。 化学（出版社「9月1日」）、2002年、第46号、p。 1; ラコフE.G.化学とナノテクノロジー：2つの視点。 化学（出版社「9月1日」）、2004年、第36号、p。 29。
インターネットリソース
www.nanometer.ru –ナノテクノロジー専用の情報サイト。
www.nauka.name-ポピュラーサイエンスポータル。
www.nanojournal.ru-ロシアの電子ナノジャーナル。
*ロシアの国営企業Rosnanotechによって正式に採用されました。
**ドーピングとは、材料の電子構造を変化させる少量の不純物の導入です。 - ノート。 ed。
ナノ化学は、ナノ粒子の化学変換の特性、構造、および特性を研究する化学の一分野です。 ナノ化学の際立った特徴は、サイズ効果の存在です。これは、物理化学的特性の質的な変化と、粒子内の原子または分子の数の変化との反応性です。 通常、この効果は10 nm未満の粒子で観察されますが、この値には条件付きの値があります。
ナノ化学の研究の方向性
ナノマニピュレーターを使用して原子から大きな分子を組み立てる方法の開発。 機械的、電気的および磁気的影響下での原子の分子内転位の研究。
超臨界流体の流れにおけるナノ構造の合成; ナノ結晶の直接集合のための方法の開発。
超微細物質およびナノ構造の物理的および化学的進化の理論の開発; ナノ構造の化学的劣化を防ぐ方法の作成。
化学および石油化学産業向けの新しい触媒の入手。 ナノ結晶の触媒反応のメカニズムの研究。
音場の多孔質媒体におけるナノ結晶化のメカニズムの研究; 生体組織におけるナノ構造の合成。
ナノ結晶のグループにおける自己組織化の現象の研究; 化学修飾剤によるナノ構造の安定化を延長する新しい方法を探します。
研究の目的は、以下を提供する機能範囲のマシンを開発することです。
化学工業および実験室での実践のための新しい触媒。
技術的なナノ構造の化学的劣化を防ぐための方法論; 化学的劣化を予測するための方法。
新薬の入手。
腫瘍内ナノ結晶化を実行し、音場を適用することによって腫瘍性疾患を治療するための方法。
新しい化学センサー; センサーの感度を上げる方法。
エネルギーおよび化学産業におけるナノテクノロジー
ナノテクノロジー（ギリシャのナノ-「ドワーフ」+「テクノ」-アート、+「ロゴ」-教義、概念）は、革新的な方法（理論的正当化、実験的方法の分野）を扱う、基礎および応用科学技術の学際的な分野です。研究、分析、合成、および新産業の分野で）望ましい特性を備えた新しい材料を取得します。 ナノテクノロジーは、単一の原子または分子（運動、順列、新しい組み合わせ）を操作するための最新のテクノロジーを使用しています。 ナノオブジェクトの特定の原子および分子構造を人工的に組織化するために、さまざまな方法（機械的、化学的、電気化学的、電気的、生化学的、電子ビーム、レーザー）が使用されます。
エネルギーにおけるナノテクノロジー
エネルギーおよび機械工学の分野におけるナノテクノロジー
この分野では、NTの開発は2つの方向に進んでいます。
1-構造材料の作成、
2-表面ナノエンジニアリング
建材の作成,
超分散（またはナノ分散）元素を含む根本的に新しい構造材料を作成するために、私たちは次の道を歩みました。 1つ目は、ドーパントとして超微細元素を添加することです。 機械工学およびエネルギーの構造材料の場合、フラーレンはエキゾチックで非常に高価です.2番目の方向は、熱可塑性、熱、または塑性変形によって実行される、鋼および合金に含まれる非金属介在物の超微細システム（UDS）の作成です。 構造材料の性能特性は、冶金学者によるとほとんど使い果たされている合金部品の導入だけでなく、あらゆる性質の変形によっても制御できることが判明しました。 このような衝撃により、非金属介在物の破砕が発生します。 従来の焼鈍と焼き戻しは、冶金学におけるナノテクノロジーに他なりません。
そのような影響の結果として、高強度と延性を組み合わせた鋼（プロメテウスの窒素鋼）、つまり、機械工学においてエネルギー部門に欠けている特性を正確に組み合わせて、材料を得ることができます。望ましい特性を備えています。 そしてナノテクノロジーはそのような材料を首尾よく入手することを可能にします。
ナノ化学
化学と薬理学
ナノサイエンスは、過去7〜10年でのみ独立した分野として登場しました。 ナノ構造の研究は、多くの古典的な科学分野の共通の方向性です。 ナノ化学は、開発、生産、研究のためのほぼ無限の可能性を開くので、それらの中で主要な場所の1つを占めています...
教育のための連邦機関オムスク州立教育大学化学および生物学部
化学科と化学の教授法
ナノ化学
完了者：学生1-XO Kuklina N.E.
チェック：化学科学の候補者、准教授Bryansky B.Ya.
オムスク2008
§1。 ナノサイエンスの形成の歴史………………………………………………………………3
§2。 ナノサイエンスの基本概念……………………………………………………………….5
§3。 いくつかのナノ粒子の構造と挙動の特徴………………………………8
§4。 ナノ化学の応用用途の種類…………………………………………..... 9
§5。 ナノ粒子の入手方法……………………………………………………………..10
§6。 ナノマテリアルとその応用の展望……………………………………………11
情報源……………………………………………………………………………………………13
§1。 ナノサイエンスの形成の歴史
1905年 アルバートアインシュタインは、糖分子のサイズがpであることを理論的に証明しました静脈は1ナノメートルです。
1931年 ドイツの物理学者ErnstRuskaとMaxKnollが電子マイクを作成しました O 10を提供するスコープ 15 -倍増。
1932年 オランダのフリッツ・ゼルニケ教授が位相差顕微鏡を発明しましたに roscope-画像の詳細を表示する品質を向上させた光学顕微鏡の変形 a zheniya、そしてその助けを借りて生きている細胞を調査しました。
1939年 エルンスト・ルスカが働いていたシーメンスは、10nmの解像度を持つ最初の市販の電子顕微鏡を製造しました。
1966年 国立局で働いていたアメリカの物理学者ラッセル・ヤング n ダーツ、走査型トンネルマイクで今日使用されるエンジンを発明しました O スコープおよび0.01オングストローム（1ナノメートル= 10オングストローム）の精度でナノツールを配置するため。
1968年 ベルのエグゼクティブバイスプレジデントであるアルフレッドチョーとベルの半導体研究部門の従業員であるジョンアーサーは、ナノテクノロジーを使用して表面処理の問題を解決し、電子デバイスの作成において原子精度を達成する理論的可能性を実証しました。
1974 東京大学で働いていた日本の物理学者谷口紀男は、「ナノテクノロジー」（母親の分離、組み立て、変化のプロセス）という用語を提案しました a それらを1つの原子または1つの分子にさらすことによってキャッチします）、これはすぐに科学界で人気を博しました。
1982年 IBMチューリッヒ物理学者研究センターでGerdBinnig and Ge n Rich Rohrerは、導電性材料の表面上の原子の配置の3次元画像を作成することを可能にする走査型トンネル顕微鏡（STM）を開発しました。
1985年 3人のアメリカ人化学者：ライス大学のリチャード・スモーリー教授、ロバート・カールとハロルド・クロトーがフラーレンを発見しました。わたし 球の形に配置された60個の炭素原子で構成されています。 これらの科学者は、初めて1nmの物体を測定することもできました。
1986年 GerdBinnigが走査型原子間力プローブmicrを開発しました O スコープ。これにより、最終的に任意の材料の原子を視覚化できるようになりました（ O リーディング）、そしてそれらを操作します。
1987–1988 P.N.の指導の下で研究所「デルタ」で ロシアで最初のナノテクノロジー設備であるLuskinovichが発売され、加熱の影響下で顕微鏡プローブの先端から粒子を直接放出しました。
1989年 カリフォルニアIBMサイエンスセンターの科学者DonaldEiglerとErhardSchwetzerは、彼らの会社の名前でニッケル結晶上に35個のキセノン原子を配置することに成功しました。
1991 NECで働いていた日本人の李島澄夫教授とと フラーレンを使用して、直径0.8 nmのカーボンチューブ（またはナノチューブ）を作成しました。
1991 国立科学財団の最初のナノテクノロジープログラムが米国で開始されました。 日本政府も同様の活動を行っています。
1998年 デルフト工科大学のオランダ人教授であるCeesDekkerは、ナノチューブをベースにしたトランジスタを作成しました。 これを行うには、彼は世界で最初に変化する必要がありました e そのような分子の電気伝導率を測定します。
2000 ドイツの物理学者FranzGissibleは、シリコン中の亜原子粒子を見ました。 彼の同僚であるRobertMagerleは、ナノトモグラフィーの技術を提案しました。 R 解像度100nmの物質の内部構造の画像。
2000 米国政府は国立ナノテクノロジー研究所を開設しましたと イニシアチブ（NNI）。 米国の予算は、この方向性、商業に2億7000万ドルを割り当てました e ロシア企業はそれに10倍以上投資しました。
2002年 Cees DekkerはカーボンチューブとDNAを組み合わせて、単一のナノを取得しましたカニズムです。
2003年 ユタ大学のFengLiu教授は、Franz Gissibleの業績を利用し、原子間力顕微鏡を使用して、電子が原子核の周りを移動するときの摂動を分析することにより、電子の軌道の画像を作成しました。
§2。 ナノサイエンスの基本概念
ナノサイエンスは、その後になって初めて独立した分野として浮上しました d ニー7-10年。 ナノ構造の研究は、多くの古典的な科学分野の共通の方向性です。 ナノ化学は、多くの場合天然材料よりも品質が優れている、望ましい特性を備えた新しいナノ材料の開発、製造、研究に実質的に無限の可能性を開くため、その中でも主要な場所の1つを占めています。
ナノ化学- さまざまなナノ粒子の特性を研究する科学です T ruktur、およびそれらの生産、研究、修正のための新しい方法の開発。
ナノ化学の優先課題はナノメートルサイズ間の関係を確立する a sticeとそのプロパティ。
ナノ化学研究対象同等の質量を持つ物体ですと 原子価サイズはナノ範囲（0.1〜100 nm）内にとどまります。
ナノスケールの物体は、一方ではバルク材料と、他方では原子と分子の中間の位置を占めます。 そのような存在 b 材料のプロジェクトは、それらに新しい化学的および物理的特性を与えます。 ナノオブジェクトは、法律が存在する世界の間の中間的かつ接続的なリンクです O 量子力学のいずれか、および古典物理学の法則が機能する世界。
周囲の世界のオブジェクトの特徴的なサイズ
ナノ化学は、さまざまなナノシステムの生成と特性を調査します。ナノシステム 気体または液体の媒体に囲まれた物体のセットです。 そのようなt e 多原子クラスターおよび分子、ナノ液滴およびナノ結晶は、ラマとして使用することができます。 これらは、原子と巨視的な物体の間の中間形態です。 システムサイズ約と 0.1〜100nm以内で溶ける。
相状態によるナノ化学の対象の分類
|
相状態 |
単一原子 |
クラスター |
ナノ粒子 |
コンパクトマター |
|
直径、nm |
0,1-0,3 |
0,3-10 |
10-100 |
100を超える |
|
原子数 |
1-10 |
10-10 6 |
10 6 -10 9 |
109以上 |
ナノ化学によって研究されるオブジェクトの範囲は絶えず拡大しています。 化学者は常に、ナノメートルサイズの物体の特徴が何であるかを理解しようと努めてきました。 これは、コロイドおよび高分子化学の急速な発展につながりました。
XX世紀の80〜90年代には、電子的、原子間力などの方法のおかげで n 顕微鏡検査では、金属ナノ結晶の挙動を観察することが可能であり、 e 有機塩、タンパク質分子、フラーレン、ナノチューブ、そして近年ではt a これらの観察は広く行き渡っています。
ナノ化学研究の対象
|
ナノ粒子 |
ナノシステム |
|
フラーレン |
クリスタル、ソリューション |
|
チューブレン |
骨材、ソリューション |
|
タンパク質分子 |
ソリューション、クリスタル |
|
ポリマー分子 |
ゾル、ゲル |
|
無機物のナノ結晶 eクリーチャー |
エアロゾル、コロイド溶液、沈殿 |
|
ミセル |
コロイド溶液 |
|
ナノブロック |
固体 |
|
Langmuir–Blodgettフィルム |
表面にフィルムが付いたボディ |
|
ガス中のクラスター |
エアロゾル |
|
さまざまな層のナノ粒子 eクリーチャー |
ナノ構造フィルム |
したがって、ナノ化学の次の主な特徴を区別することができます。
- オブジェクトの幾何学的寸法はナノメートルスケールにあります。
- オブジェクトとそのセットによる新しいプロパティの表示。
- オブジェクトの制御と正確な操作の可能性。
- オブジェクトとオブジェクトに基づいて組み立てられたデバイスは、新しい消費者を受け入れます bskyプロパティ。
§3。 いくつかのナノ粒子の構造と挙動の特徴
不活性ガスの原子からのナノ粒子最も単純なナノオブジェクトです b プロジェクト。 電子殻が完全に満たされた不活性ガスの原子は、ファンデルワールス力によって互いに弱く相互作用します。 このような粒子を記述するときは、剛体球のモデルが使用されます。
金属ナノ粒子. いくつかの原子の金属クラスターでは、共有結合と金属結合の両方を実現できます。 金属ナノ粒子は反応性が高く、触媒作用としてよく使用されます。 a 鳥。 金属ナノ粒子は通常正しい形を取ります-八面体、ikos a ヘドラ、十四面体。
フラクタルクラスター分岐構造を持つオブジェクトです：すす、co l ロイド、さまざまなエアロゾルおよびエアロゲル。 フラクタルは、増加すると、そのオブジェクトです。と 倍率を見ると、同じ構造がすべてのレベルとスケールでどのように繰り返されているかがわかります。
分子クラスター分子のクラスターです。 ほとんどの砕屑物 e 溝は分子です。 それらの数と多様性は膨大です。 特に、分子にで 多くの生体高分子は極性クラスターに属しています。
フラーレン 多面体によって形成された粒子の内側が中空です n 共有結合で結合された炭素原子のニックネーム。 フラーの間の特別な場所 e 60個の炭素原子の粒子が占める新しい-C 60 微視的なサッカーボールに似ています。
ナノチューブ -これらは内部の中空分子であり、 O カーボンの動きで、直径が約ナノメートル、長さが数十ミクロンの単層チューブを表しています。 ナノチューブ表面には炭素原子が分散しています O 正六角形の頂点にあります。
§4。 ナノ化学の応用用途
従来、ナノ化学は次のように分類できます。
- 理論的
- 実験的
- 適用
理論的ナノ化学空間座標や速度などの粒子の状態のパラメータを考慮に入れて、ナノボディの挙動を計算する方法を開発します O sti、質量、組成の特性、各ナノ粒子の形状と構造。
実験的ナノ化学3つの方向に発展します。最初の枠組みの中で 超高感度スペクトル法が開発され、使用されています、はいゆう これは、数十から数百の原子を含む分子の構造を判断する機会を与えます。2番目の枠組みの中で方向、現象はローカル（ローカル）電気で研究されています e ナノプローブと特殊なマニピュレーターの助けを借りて実装されたナノボディに対する物理的、磁気的、または機械的な影響。第三の下で方向を定義します T ナノボディ集合体のマクロ運動特性と分布関数 a 状態パラメータによる通知。
応用ナノ化学含まれるもの：
- 工学およびナノテクノロジーにおけるナノシステムの使用のための理論的基礎の開発 O 学、その条件下での特定のナノシステムの発達を予測するための方法およびと 使用、および最適な操作方法の検索（技術的しかし、化学はありません）。
- ナノマットの合成におけるナノシステムの挙動の理論モデルの作成 e リアルとそれらの生産のための最適条件の探索（合成ナノ化学）。
- 生物学的ナノシステムの研究とナノを使用するための方法の作成と 薬用（医療用ナノ化学）の茎。
- 環境中のナノ粒子の形成と移動に関する理論モデルの開発で ナノ粒子からの天然水または空気の生活環境と浄化方法（ec O 論理ナノ化学）。
§5。 ナノ粒子の入手方法
原則として、ナノ粒子を合成するためのすべての方法は、2つの大きなグループに分けることができます。
分散方法、または従来のマクロサンプルを粉砕することによってナノ粒子を取得する方法
凝縮法、または個々の原子からナノ粒子を「成長させる」方法。
分散方法
分散法では、最初の物体はナノ粒子に粉砕されます。 ナノ粒子を取得するためのこのアプローチは、一部の科学者によって比喩的に呼ばれています「トップダウンアプローチ」 。 これは、一種の「肉」であるナノ粒子を作成するためのすべての方法の中で最も簡単です。 O マクロボディの場合は伐採」。 この方法は、マイクロエレクトロニクス用の材料の製造に広く使用されており、産業機器と使用される材料の能力の範囲内で、オブジェクトのサイズをナノスケールに縮小することで構成されています。 と h 機械的にだけでなく、物質をナノ粒子に粉砕することも可能です。 ロシアの企業AdvancedPowder Technologiesは、強力な電流パルスで金属糸を爆発させることによってナノ粒子を取得します。
ナノ粒子を入手するためのよりエキゾチックな方法もあります。 2003年にアメリカの科学者はイチジクの木の葉から微生物を集めましたロドコッカス -そしてそれらを金を含む溶液に入れました。 バクテリアは化学物質として作用しましたと 前者は、銀イオンから直径約10nmのきちんとしたナノ粒子を収集します。 ナノ粒子を構築することにより、バクテリアは正常に感じ、増殖し続けました。
結露メソッド
凝縮法を用いて（"ボトムアップアプローチ"）ナノ粒子はnを取得しますで 個々の原子を結合するテーマ。 方法は、制御されているという事実にありますと 条件、原子とイオンのアンサンブルが形成されます。 その結果、新しいオブジェクトは新しい構造で形成され、したがって、アンサンブルの形成条件を変更することでプログラムできる新しいプロパティで形成されます。 これは d この動きは、物体の小型化の問題の解決を容易にし、高解像度リソグラフィーの多くの問題の解決、新しいマイクロプロセッサー、薄いポリマーフィルム、および新しい半導体の作成に近づきます。
§6。 ナノマテリアルとその応用の展望
ナノマテリアルの概念は、最初にG.GleiterによるXX世紀の80年代、その用語自体を科学的使用に導入した人-「ナノマテリアル "。 従来のナノ材料（化学元素や化合物、アモルファス物質、金属およびそれらの合金など）に加えて、ナノ半導体、ナノポリマー、 a 多孔質材料、ナノ粉末、多数のカーボンナノ構造、 a ノバイオマテリアル、超分子構造および触媒。
ナノマテリアルのユニークな特性を決定する要因は、それらを形成するナノ粒子の次元、電子、および量子効果、ならびにそれらの非常に発達した表面です。 多くの研究は、 b ナノ材料の物理機械的特性（強度、硬度など）の重要で技術的に興味深い変化は、いくつかの粒子サイズ範囲で発生します a 100nmまでの数値。 現在、結晶子サイズが約1〜2nm以下の窒化物やホウ化物をベースにしたナノ材料が数多く得られています。
それらの下にあるナノ粒子の特定の特性のために、そのようなマット e 多くの点で、リアルは「通常の」リアルよりも優れています。 たとえば、 l ナノテクノロジーによって得られる従来の鋼の強度は、従来の鋼の1.5〜3倍、硬度は50〜70倍、耐食性は10〜12倍です。
ナノマテリアルの応用：
- ナノエレクトロニクスおよびナノフォトニクスの要素（半導体トランジスタおよびレーザー、光検出器、太陽電池、さまざまなセンサー）
- 超高密度情報記録装置
- 電気通信、情報およびコンピューティング技術、supe rコンピューター
- ビデオ機器—フラットスクリーン、モニター、ビデオプロジェクター
- 分子レベルのスイッチや電子回路を含む分子電子デバイス
- 燃料電池とエネルギー貯蔵装置
- 分子モーターおよびナノモーター、ナノロボットを含むマイクロおよびナノメカニクスデバイス
- 燃焼制御、コーティング、電気を含むナノ化学および触媒作用に トロケミストリーと医薬品
- 航空、宇宙および防衛アプリケーションわたし 環境
- 標的を定めた薬物およびタンパク質の送達、生体高分子および生体組織の治癒、臨床および医学的診断、人工筋肉の作成で 釣り、骨、生体器官の移植
- バイオメカニクス、ゲノミクス、バイオインフォマティクス、バイオインスツルメンテーション
- 発がん性組織、病原体、および生物学的に有害な物質の登録と特定。 農業と食料生産における安全。
オムスク地域はナノテクノロジーを開発する準備ができています
ナノテクノロジーの開発は、オムスク地域における科学、技術、工学の開発の優先分野の1つです。
したがって、ロシアアカデミーのシベリア支部の半導体物理学研究所のオムスク支部では h ナノエレクトロニクスの開発、およびロシア科学アカデミーのシベリア支部の炭化水素処理問題研究所では、ナノポーラスカーボンキャリアと触媒を入手するための作業が進行中です。
情報源：
- http://www.rambler.ru/cgi-bin/news
- http://www.rambler.ru/news
- ht tp：// Nanometer.ru
- http://www.nanonewsnet.ru/
67KB レッスン機器：プレゼンテーション大祖国戦争の始まり。戦争の初期の地図が使用されます。戦争に関するドキュメンタリーの断片、ドイツとソ連の戦争準備に関する計画、専用の本の展示大祖国戦争へ..。
