Наноматериал ба нанотехнологийн салбарын нэр томьёо одоогоор дөнгөж байгуулагдаж байна. Наноматериал гэж юу болохыг тодорхойлох хэд хэдэн арга байдаг.

Хамгийн энгийн бөгөөд түгээмэл арга нь ийм материалын бүтцийн геометрийн хэмжээстэй холбоотой юм. Энэ аргын дагуу дээр дурьдсанчлан 1-ээс 100 нм хүртэлх бичил бүтэцтэй материалыг нано бүтэцтэй (эсвэл нанофаз, нанокристал, супрамолекул) гэж нэрлэдэг.

Энэ хэмжээсийн хүрээг сонгох нь санамсаргүй биш юм: доод хязгаар нь нанокристалл материалын тэгш хэмийн доод хязгаартай холбоотой гэж үздэг. Баримт нь тэгш хэмийн хатуу элементүүдээр тодорхойлогддог болорын хэмжээ багасах тусам зарим тэгш хэмийн элементүүд алдагдах мөч ирдэг. Хамгийн өргөн тархсан талстуудын өгөгдлөөс харахад ийм чухал хэмжээ нь гурван зохицуулалтын бөмбөрцөгтэй тэнцүү бөгөөд төмрийн хувьд 0.5 нм, никелийн хувьд 0.6 нм байна. Дээд хязгаарын утга нь материалын физик-механик шинж чанарт (хүч чадал, хатуулаг, албадлагын хүч гэх мэт) мэдэгдэхүйц бөгөөд техникийн үүднээс сонирхолтой өөрчлөлтүүд нь ширхэгийн хэмжээ 100-аас доош буурах үед эхэлдэгтэй холбоотой юм. nm.

Хэрэв бид нано хэмжээтэй хэсгүүдээс бүрдсэн тархсан материалыг авч үзвэл нэг нанометр ба түүнээс бага хэмжээтэй бөөмсийн шинж чанарын өөрчлөлтийг харгалзан үзэх замаар ийм объектын доод хэмжээний хязгаарыг зөвтгөж болно. бөөмс Физик материалын шинжлэх ухаанд ийм бөөмсийг нэрлэдэг кластерууд,мөн ийм морфологийн нэгж бүхий материалууд бөөгнөрсөн байдаг. Кластер гэдэг нь харилцан үйлчлэлцдэг атомуудын (ион, молекул) жижиг (тоолж болох) ба ерөнхийдөө хувьсах тооны бүлэг юм.

1 нм радиустай кластер нь ойролцоогоор 25 атом агуулдаг бөгөөд тэдгээрийн ихэнх нь кластерын гадаргуу дээр байрладаг. Жижиг атомын бөөгнөрөл нь нэг талаас тусгаарлагдсан атом ба молекулуудын хоорондох завсрын холбоос, нөгөө талаас их хэмжээний хатуу биет юм. Кластерын нэг онцлог шинж чанар нь кластер дахь атомын тооноос монотон бус шинж чанараас хамаардаг. Нэг кластер дахь атомын хамгийн бага тоо хоёр байна. Кластерын дээд хил нь атомын тоотой тохирч байгаа тул тоон өөрчлөлтөөс чанарын өөрчлөлт рүү шилжих шилжилт аль хэдийн дууссан тул өөр атом нэмэхэд кластерын шинж чанарыг өөрчлөхгүй. (Зураг 1.2). Химийн үүднээс авч үзвэл ихэнх өөрчлөлт нь атомын тоо 1000-2000-аас хэтрэхгүй байх үед дуусдаг.

Кластерын хэмжээсийн дээд хязгаарыг кластер болон тусгаарлагдсан нано бөөмсийн хоорондох хил хязгаар гэж үзэж болно. Тусгаарлагдсан нано бөөмсийн шинж чанараас задгай талст бодисын шинж чанарт шилжих шилжилт нь олон арван жилийн турш "хоосон толбо" хэвээр байсан, учир нь завсрын холбоос - нанометрийн хэмжээтэй мөхлөг бүхий авсаархан бие байхгүй байсан.

Геометрийн шинж чанарт үндэслэн наносистемийг гурван бүлэгт хувааж болно.

Гурван хэмжээст (бөөнөөр) нано бөөмс, бүх гурван хэмжээ нь нано улаан өнгөтэй байна; эдгээр хэсгүүд нь маш бага радиустай

муруйлт. Ийм системд 1-р эрэмбийн фазын шилжилтийн үед үүссэн уусмал, микроэмульс, үрийн тоосонцор (талст, дусал, хийн бөмбөлөг, усан ба усан бус орчин дахь гадаргуугийн идэвхтэй бодисын бөмбөрцөг мицелл (шууд ба урвуу мицел));

Хоёр хэмжээст (нимгэн хальс ба давхарга) нано бөөмс, тэдгээрийн зөвхөн нэг хэмжээ (зузаан) нь наноранжид, нөгөө хоёр нь (урт ба өргөн) дур зоргоороо том хэмжээтэй байж болно. Эдгээр системүүд нь шингэн хальс, интерфэйс дэх моно болон олон давхаргат (Лангмюр-Блоджетт хальсыг оруулаад), хоёр хэмжээст хавтан шиг гадаргуутай мицелл;

Нэг хэмжээст нано бөөмсүүд нь хөндлөн хэмжээ нь нанора, урт нь дур зоргоороо том байж болно. Эдгээр нь нимгэн утаснууд, маш нимгэн хялгасан судаснууд ба нүхнүүд, цилиндр хэлбэртэй гадаргуутай мицеллүүд, тэдгээртэй маш төстэй нано хоолой юм.

Уран зохиолд наноматериалуудын дараахь ангиллыг хүлээн зөвшөөрдөг.

OD - тусгаарлагдсан нано бөөмс бүхий дээд кластер материал ба нанодисперс;

1D - нанофиброз ба наногуурс, утас эсвэл хоолойн урт нь хэдэн арван микроноос бага;

2D - нанометрийн зузаантай хальс;

3D - нанометрийн ширхэгтэй поликристал бөгөөд бүх эзэлхүүн нь нано тариагаар дүүрсэн, үр тарианы чөлөөт гадаргуу бараг байдаггүй. Гурван хэмжээст материалд нунтаг, эслэг, олон давхаргат болон поликристалл материалууд багтдаг бөгөөд OD-, 1D-, 20-бөөмүүд хоорондоо нягт уялдаж, тэдгээрийн хооронд интерфейс үүсгэдэг. Сүүлийн 20 жилийн хугацаанд 3D материалын үйлдвэрлэлд онцгой анхаарал хандуулж, тэдгээрийг хатуу хайлш үйлдвэрлэх, нисэх онгоцны үйлдвэрлэл, устөрөгчийн эрчим хүч болон бусад өндөр технологийн үйлдвэрүүдэд ашигладаг.

Иймээс наноматериалуудад нано бөөмс, нанометрийн хязгаарт зузаантай хальс, хэмжээ нь 1-100 нм хооронд хэлбэлздэг нанокристал буюу нано нүх сүв агуулсан макроскоп объектууд орно.

Цагаан будаа. 1. Янз бүрийн хэмжээтэй бөөмсийн харьцангуй идэвхжил

Металл нано бөөмсийн хувьд хоёр төрлийн хэмжээсийн эффектийг ялгах нь заншилтай байдаг. Нэг нь бөөмийн гадаргуу, эзэлхүүн, химийн шинж чанарын тодорхой өөрчлөлтөөс шалтгаалж дотоод буюу дотоод юм. Нөгөө нь дотоод нөлөөлөлтэй холбоогүй, хүчний гадаад үйл ажиллагааны хэмжээнээс хамааралтай хариу үйлдэл болох гадаад гэж нэрлэгддэг.

Хэмжээний өвөрмөц нөлөөлөл нь жижиг хэсгүүдэд хамгийн тод илэрдэг бөгөөд хэмжээнээс хамаарах шинж чанаруудын тогтмол бус хамаарал давамгайлдаг. Урвалд оролцож буй хэсгүүдийн хэмжээнээс үйл ажиллагааны хамаарал нь шингэсэн урвалжтай харилцан үйлчлэх явцад бөөмийн шинж чанарын өөрчлөлт, электрон бүрхүүлийн геометрийн бүтэц ба бүтцийн хоорондын хамаарал, тэгш хэмтэй холбоотой байж болно. металл шингэсэн молекулын хил орбиталууд.

Жижиг хэсгүүдийн термодинамикийн туршилт, онолын судалгаанаас үзэхэд бөөмийн хэмжээ нь бусад термодинамик хувьсагчтай хамт системийн төлөв байдал, түүний реактив байдлыг тодорхойлдог идэвхтэй хувьсагч болохыг харуулж байна. Бөөмийн хэмжээг нэг төрлийн температурын эквивалент гэж үзэж болох ба нано хэмжээний бөөмсийн хувьд нягт төлөвт байгаа бодисууд орохгүй байх урвал явагдах боломжтой. Металл нанокристалын хэмжээг өөрчлөх нь металл-метал бус шилжилтийг хянадаг болохыг тогтоожээ. Энэ үзэгдэл нь бөөмийн хэмжээ 1-2 нм-ээс ихгүй диаметртэй үед тохиолддог. Атом хоорондын зай нь бөөмсийн идэвхжилд мөн нөлөөлдөг. Алтны тоосонцорыг жишээ болгон онолын тооцоолсноор атом хоорондын дундаж зай нь бөөмийн цөмийн чанар нэмэгдэх тусам нэмэгддэг болохыг харуулж байна.

Дүрмээр бол металлын нано бөөмсийн өндөр идэвхжил нь хүрээлэн буй орчинтой харьцахгүйгээр чөлөөт хэлбэрээр оршин тогтнох нь зөвхөн вакуум орчинд л боломжтой болоход хүргэдэг. Янз бүрийн хэмжээтэй мөнгөн хэсгүүдийн жишээг ашиглан тэдгээрийн оптик шинж чанарыг вакуум дахь болон бага температурт аргон дахь конденсацын дараа тодорхойлсон. Мөнгөний хэсгүүдийг хатуу аргонд зөөлөн хадгалав. 10-20 мөнгөний атом агуулсан кластеруудын спектрүүд нь хийн фазын масс спектроскопоор тусгаарлагдсан бөөмсийн спектртэй бүтцийн хувьд төстэй байв. Эдгээр үр дүнд үндэслэн хуримтлуулах үйл явц нь кластеруудын хэлбэр, геометрт нөлөөлдөггүй гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн. Иймээс хийн фаз болон инертийн матриц дахь металлын нано хэсгүүдийн оптик шинж чанар, урвалын чадварыг харьцуулж болно.

Хэмжээний нөлөөлөл нь тухайн бодисын бөөм дэх атом, молекулын тооноос хамаарч химийн шинж чанар, урвалын чанарын өөрчлөлтөөр илэрхийлэгдэх үзэгдэл юм (Зураг 2).

Цагаан будаа. 2. Металлын хэсгүүдийн харьцангуй химийн идэвхжилийн янз бүрийн хүчин зүйл, судалгааны аргуудаас хамаарах хамаарал

Үүссэн металлын нано хэсгүүдийн хэмжээг хянах, үржүүлэхэд хэцүү байдаг бөгөөд үүнийг ихэвчлэн синтезийн аргаар тодорхойлдог. Эдгээр хүндрэлүүд нь бөөмийн хэмжээ нь түүний реактив байдалд үзүүлэх нөлөөг шинжлэх чадварыг хязгаарладаг. Саяхан ийм урвалыг хийн үе шатанд хамгийн идэвхтэй судалж байгаа бөгөөд туршилтыг ихэвчлэн үр дүнгийн онолын шинжилгээтэй хослуулдаг.

Атомоос үүссэн металлын нано бөөмсийн химийн болон физик шинж чанарын өөрчлөлт нь тэдгээрийн тодорхой үечлэл, бөөмс дэх атомын тоо, хэлбэр, зохион байгуулалтын аргаас хамааралтай болохыг харуулж байна.

ионууд. Үүнтэй холбогдуулан металл бөөгнөрөл, нано бөөмсийн электрон болон геометрийн хүснэгтийг бүтээх оролдлого хийгдэж байна.

Натрийн атомын жишээг ашиглан Na3, Na9, Na19 бөөмс нь нэг валенттай, галогентэй төстэй Na7, Na17 бөөгнөрөл нь идэвхжил нэмэгдсэн болохыг харуулсан. Битүү электрон бүрхүүлтэй Na2, Na8, Na18, Na20 хэсгүүд нь хамгийн бага идэвхжилтэй байдаг. Шинж чанарын өөрчлөлтийг электрон бүтцээр тодорхойлдог жижиг кластеруудын дээрх аналог нь ижил төстэй хэсгүүдтэй урвалд ороход шинэ химийн үзэгдлүүд гарч ирэхийг хүлээх боломжийг бидэнд олгодог.

Хэдэн мянган атом агуулсан натрийн кластеруудын хувьд бөөмийн тогтвортой байдлын үечилсэн үзэгдлийг мөн илрүүлсэн. Хэрэв бөөмсөнд 1500-аас дээш Na атом байгаа бол инертийн хийтэй төстэй битүү бүрхүүлд геометрийн савлагаа давамгайлдаг.

Хэдэн арван мянган атом агуулсан бөөмсийн хэмжээ нь тэдний үйл ажиллагаанд өөр өөр нөлөө үзүүлдэг болохыг тэмдэглэжээ. Эхний тохиолдолд кластер бүрийн цахим бүтэц нь шийдвэрлэх ач холбогдолтой, хоёрдугаарт, бөөмийн геометрийн бүрхүүлийн бүтэц нь шийдвэрлэх ач холбогдолтой юм. Бодит тоосонцор дахь электрон болон геометрийн бүтэц нь хоорондоо холбоотой байдаг тул тэдгээрийн нөлөөллийг тусад нь авч үзэх нь үргэлж боломжгүй байдаг.

Химийн шинж чанаруудын урвалд оролцож буй хэсгүүдийн хэмжээнээс хамаарлыг тогтоох асуудал нь талстжих процесст нано хэмжээний хатуу фаз үүсэх загварыг тодорхойлохтой нягт холбоотой юм. Атомууд хий, шингэн үе шатанд харилцан үйлчлэлцэх эсвэл гадаргууд цохилт өгөх үед эхлээд жижиг бөөгнөрөл үүсдэг бөгөөд тэдгээр нь томорч, нанокристал болж хувирдаг. Шингэн үе шатанд ийм формацууд нь талстжилт дагалдаж, хатуу фаз үүсэхэд хүргэдэг. Цөөн тооны атомуудаас бүрдэх металлын бөөмсийн нанохимийн хувьд фазуудын хооронд тодорхой зааг байдаггүй бөгөөд тодорхой элементийн хэдэн атом нь үүсэлтийг эхлүүлдэг талст цөм аяндаа гарч ирэхэд шаардлагатай гэсэн санаа байдаг. нано бүтэц хангалтгүй хөгжсөн.

Металл нано бөөмийн хэмжээ нь түүний шинж чанарт үзүүлэх нөлөөг судлахад бөөмс байрлах гадаргуу, тогтворжуулах лигандын шинж чанар маш чухал юм. Асуудлыг шийдэх нэг арга бол бөөмийн хэмжээнээс хамаарч хамгийн их эзлэгдсэн молекул орбитал эсвэл хамгийн бага эзгүй молекул орбиталын тэгш хэмийн энергийг тодорхойлох явдал юм. Өөр нэг арга нь урвалын оновчтой нөхцлийг бүрдүүлэх нано бөөмийн морфологийг судлахад суурилдаг.

Гадаргуугийн урвал нь металлын нано бөөмсийг тогтворжуулах, төлөвшүүлэхэд чухал ач холбогдолтой юм. Нано бөөмсийн гадаргуу дээр шингэсэн урвалжуудын хувьд химийн урвалыг молекулуудын тогтмол дундаж нягтралтай (концентраци) хязгааргүй эзэлхүүнтэй процесс гэж үзэх боломжгүй, учир нь нано бөөмсийн гадаргуугийн хэмжээ нь урвалжийн хэсгүүдийн хэмжээтэй харьцуулах боломжтой байдаг. . Ийм системд бимолекул химийн урвалын кинетик нь хязгаарлагдмал эзлэхүүн дэх кинетик бөгөөд сонгодог нэгээс ялгаатай.

Сонгодог кинетик нь урвалд орох бодисын концентрацийн хэлбэлзлийг харгалздаггүй. Цөөн тооны харилцан үйлчлэгч молекул агуулсан нано бөөмс нь урвалжуудын хэмжээ харьцангуй их хэлбэлзэлтэй байдаг бөгөөд энэ нь янз бүрийн хэмжээтэй нано бөөмсийн гадаргуу дээрх урвалжийн концентрацийн өөрчлөлтийн хоорондын зөрүүд хүргэдэг. Тиймээс бөөмийн хэмжээнээс хамааран тэдгээрийн өөр өөр урвалд ордог.

Төрөл бүрийн лигандын нөлөөгөөр металлын нано бөөмийг тогтворжуулах үйл явцыг ойлгох, ийм хэсгүүдийн дараагийн урвалын чадварыг судлахын тулд тогтворжуулагч лигандуудтай солилцооны урвал маш чухал юм. Ийм солилцооны процессыг хэрэгжүүлэхэд тэдгээрийн лигандуудын шинж чанар, тогтворжсон металлын атомын хэмжээ, түүн дээр төвлөрсөн цэнэгээс хамаарах байдалд онцгой анхаарал хандуулдаг. Тогтворжуулагч лигандын цахилгаан химийн шинж чанарт бөөмийн цөмийн хэмжээ хэрхэн нөлөөлж байгааг тогтоосон.

Нано бөөмстэй харьцаж буй лигандын шинж чанарыг өөрчлөх нь түүний үйлдвэрлэл, тогтворжилт, химийн идэвхийг хянах боломжтой болгодог. Гадаргуугийн лигандууд нь бие даасан хэсгүүдийг нэгтгэхээс хамгаалдаг. Үүний зэрэгцээ тэд нанокристал дисперсийг хангаж чадна

В төрөл бүрийн уусгагч, энэ нь ялангуяа биологийн шошгонд чухал ач холбогдолтой

В усан уусмал. Функциональ бүлгүүдийг агуулсан гадаргуугийн лигандууд нь бусад молекулууд эсвэл макромолекулуудын нано бөөмстэй харилцан үйлчлэлийг хөнгөвчлөх, шинэ эрлийз материалыг бий болгох боломжтой. Ихэнх тохиолдолд нэг буюу хоёр тиолын бүлэг эсвэл хэд хэдэн лигандын хослол бүхий тиолууд нь нано бөөмсийн хэмжээст болон функциональ шинж чанарыг тодорхойлдог болохыг тогтоожээ.

IN Нано бөөмсөнд нэлээд тооны атомууд гадаргуу дээр байрладаг бөгөөд бөөмийн хэмжээ багасах тусам тэдгээрийн эзлэх хувь нэмэгддэг. Үүний дагуу нанокристалын энергид гадаргуугийн атомуудын хувь нэмэр ч нэмэгддэг.

Шингэний гадаргуугийн энерги нь харгалзах болорын гадаргуугийн энергиээс үргэлж бага байдаг. Нано бөөмсийн хэмжээг багасгахад хүргэдэг

гадаргуугийн энергийн эзлэх хувь нэмэгдэж, улмаар хайлах цэг буурч, энэ нь маш чухал байж болно.

Химийн тэнцвэрт байдалд шилжихэд хэмжээст хүчин зүйлсийн нөлөөлөл ажиглагдаж байна. Өндөр тархсан тоосонцорыг ашиглах нь системийн тэнцвэрт байдлыг ихээхэн өөрчлөх боломжтой. Жижиг хэсгүүдийн динамикийн онолын судалгаа, туршилтууд нь бөөмийн хэмжээ нь бусад термодинамик хувьсагчтай хамт системийн төлөв байдлыг тодорхойлдог идэвхтэй термодинамик хувьсагч болохыг харуулж байна. Хэмжээ нь температурын үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ нөхцөл байдлыг тэнцвэр нь эхлэлийн бүтээгдэхүүн рүү шилжүүлсэн урвалуудад ашиглаж болно.

Металлын атомууд нь химийн өндөр идэвхжилтэй бөгөөд тэдгээрээс үүссэн олон тооны атом бүхий димер, тример, кластер, нано хэсгүүдэд хадгалагддаг. Ийм бөөмсийг янз бүрийн тогтворжуулагчийн тусламжтайгаар судлах боломжтой тул нано бөөмсийг олж авах, тэдгээрийг тогтворжуулах үйл явцыг хослуулан авч үздэг.

Бүх синтезийн аргуудыг хоёр том бүлэгт хувааж болно. Эхнийх нь нано бөөмсийг олж авах, судлах боломжийг олгодог аргуудыг нэгтгэдэг боловч эдгээр аргууд дээр үндэслэн шинэ материал бий болгоход хэцүү байдаг. Үүнд хэт бага температурт конденсаци, химийн, фотохимийн болон цацрагийг багасгах зарим сонголтууд, лазерын ууршилт орно.

Хоёрдахь бүлэгт нано бөөмс дээр суурилсан наноматериал болон нанокомпозитыг авах боломжтой аргууд орно. Эдгээр нь үндсэндээ механик химийн бутлах, хийн фазын конденсац, плазмын химийн аргууд гэх мэт янз бүрийн сонголтууд юм.

Эхний арга нь ихэвчлэн нано хэмжээтэй тоосонцор үйлдвэрлэх химийн аргуудад ("доороос дээш" хандлага), хоёр дахь нь физик аргуудад ("дээрээс доош" хандлага) зориулагдсан байдаг.

Атомыг томруулах замаар бөөмсийг олж авах нь ганц атомыг нано шинжлэх ухааны доод хязгаар гэж үзэх боломжийг бидэнд олгодог. Дээд хязгаарыг бөөмийн атомын тоогоор тодорхойлдог бөгөөд бөөмийн хэмжээг цаашид нэмэгдүүлэх нь химийн шинж чанарын чанарын өөрчлөлтөд хүргэдэггүй бөгөөд тэдгээр нь нягт металлын шинж чанартай төстэй байдаг. Дээд хязгаарыг тодорхойлох атомын тоо нь элемент бүрийн хувьд хувь хүн юм.

Атомоос тархах, бүтээх замаар олж авсан ижил хэмжээтэй нано бөөмсийн бүтэц нь ялгаатай байх нь үндсэндээ чухал юм. Нано хэмжээст авсаархан материалыг тараах үед

Дүрмээр бол үүссэн хэсгүүд нь анхны дээжийн бүтцийг хадгалдаг. Атомуудыг зохиомлоор нэгтгэснээр үүссэн бөөмс нь атомуудын орон зайн өөр зохион байгуулалттай байж болох бөгөөд энэ нь тэдний электрон бүтцэд нөлөөлдөг.

Металлуудын нэгэн адил оксидууд өргөн практик хэрэглээг олдог. Металлын ислийн реактив чанар нь металлын реактив байдлаас арай доогуур байдаг тул металлын нано хэсгүүдийг тогтворжуулахад металл исэл үүсэх процессыг ашигладаг.

Нано хэмжээний хүрээн дэх металлын тоосонцор, тэдгээрийн ислийн хэмжээ, хэлбэр, зохион байгуулалт нь системийн химийн идэвхжил, материалын тогтвортой байдал, шинж чанар, тэдгээрийг нано технологид ашиглах боломжид шууд нөлөөлдөг.

3.2. Нүүрстөрөгчийн нано хоолой

Нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь бал чулуун хавтангаас огтолж авсан янз бүрийн тохиргооны нэлээд урт туузны таамаглал юм. Үүссэн объект нь өргөтгөсөн цилиндр хэлбэртэй бүтэц бөгөөд гадаргуу нь зургаан гишүүнтэй нүүрстөрөгчийн циклээр үүсдэг. Энд тохиргоо гэж бид графит хуудасны талстографийн тэнхлэгтэй харьцуулахад туузны чиглэлийг хэлнэ. Албан ёсны үүднээс авч үзвэл нано хоолой нь хаахад шаардлагатай 12 таван өнцөгт нүүрийг агуулсан хоёр "таг"-аар хаалттай байвал нано хоолой нь фуллерен байж болно. Энэ тохиолдолд нано гуурсыг хаалттай гэж нэрлэдэг. Гэхдээ ихэнхдээ нээлттэй нано хоолойг авч үздэг. Нано гуурсан хоолойн урт ба диаметрийн харьцаа нь ихэвчлэн том байдаг тул түүний төгсгөлүүд нь түүний физик-химийн шинж чанарт төдийлөн нөлөөлдөггүй. Энгийн нано хоолойноос гадна хэд хэдэн үүрлэсэн "цилиндр" -ээс бүрдсэн олон ханатай нано хоолойнууд байдаг.

Нүүрстөрөгчийн нано хоолойн дотоод диаметр нь 0.4-ээс хэдэн нанометрийн хооронд хэлбэлзэж болох ба дотоод хөндийн эзэлхүүн нь бусад бодисыг агуулж болно. Нэг давхаргат хоолойнууд нь бага хэмжээний согог агуулдаг бөгөөд инертийн орчинд өндөр температурт хатгасны дараа согоггүй хоолойг олж авах боломжтой. Хоолойн бүтцийн төрөл (эсвэл тохиргоо) нь түүний химийн, электрон болон механик шинж чанарт нөлөөлдөг.

Эхэндээ нано гуурсыг нэгтгэх гол арга нь инертийн хийн урсгалд шатаж буй цахилгаан нуман дахь бал чулууг ууршуулах явдал байв. Тэр үргэлжлүүлэв

өнөөг хүртэл идэвхтэй ашиглагдаж байна. Үүнтэй адилаар CeO2 болон нано хэмжээтэй никель байгаа нөхцөлд 0.79 нм диаметртэй нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано гуурсуудыг гаргаж авсан. Нум нь халсан зууханд бал чулууны байг сканнердах лазер туяагаар ууршуулах замаар солигдсон. Өнөөдөр метан, ацетилен, нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн катализаторын пиролиз улам бүр түгээмэл болж байна. Метаныг Ni-Cr утсан дээр шатаах замаар 20-60 нм диаметртэй нано хоолой гаргаж авсан. 30-130 мкм урт, 10-200 нм дотоод диаметртэй олон ханатай нано гуурсыг 800-950 ° C температурт ферроцений бензолын уусмалаас бэлтгэсэн аэрозолын пиролизоор өндөр бүтээмжтэй нийлэгжүүлсэн. Санал болгож буй арга нь нүүрсустөрөгчийн уусмал, катализаторыг ашиглахад суурилдаг.

Тиймээс одоогийн байдлаар нүүрстөрөгчийн нано хоолой, утас үйлдвэрлэх хоёр үндсэн чиглэл байна. Эхнийх нь графитыг ууршуулж, уурыг хөргөх үед бүтээгдэхүүний дараагийн конденсацаас бүрдэнэ. Хоёр дахь нь металлын катализаторын тоосонцор дээр нано нүүрстөрөгчийн бүтэц үүсэхтэй хамт нүүрстөрөгч агуулсан хийн дулааны задралд суурилдаг. Аль ч тохиолдолд нүүрстөрөгчийн нано гуурс нь дүрмээр бол Fe, Co, Ni катализаторууд, тэдгээрийн хоёртын хольц, металлын нийлмэл бодис, металл хоорондын нэгдлүүдийн оролцоотойгоор үүсдэг. Нано хоолой үйлдвэрлэх нь хяналт тавихад хэцүү үйл явц юм. Энэ нь ихэвчлэн нүүрстөрөгчийн бусад хэлбэрүүд дагалддаг бөгөөд үүнийг цэвэршүүлэх замаар зайлуулах ёстой. Түүнчлэн үйлдвэрлэлийн үйлдвэрлэлийн нөхцөлд нүүрстөрөгчийн нано хоолойн морфологи, бүтцийн үзүүлэлтүүдийн тогтвортой байдлыг хангах боломжгүй хэвээр байна.

Нүүрстөрөгчийн нано гуурсуудын бүтцийн онцлог нь тэдгээрийн химийн найрлага нь фуллерен, бал чулууны химийн найрлагаас ялгаатай гэсэн үг юм. Фуллерен нь жижиг дотоод хөндийн эзэлхүүнтэй бөгөөд үүнд бусад элементүүдийн цөөн хэдэн атомууд багтах боломжтой байдаг. Фуллерен нь молекул талст үүсгэж чаддаг бол бал чулуу нь давхаргат полимер талст юм. Нано хоолой нь завсрын төлөвийг илэрхийлдэг. Нэг давхаргат хоолой нь молекултай, олон давхаргат хоолой нь нүүрстөрөгчийн утастай ойрхон байдаг. Бие даасан хоолойг нэг хэмжээст талст, хоорондын өсөлтийг хоёр хэмжээст талст гэж үзэх нь заншилтай байдаг.

Одоогоор нүүрстөрөгчийн нано хоолойн үндсэн физик шинж чанарыг тодорхойлсон. Тэдгээр нь бүтэц, диаметрийн төрлөөс хамааран метал эсвэл хагас дамжуулагч шинж чанартай байдаг

Маш сайн ялгаруулагч, өндөр температурт тогтвортой, цахилгаан болон дулаан дамжуулалт өндөр, химийн хувьд харьцангуй идэвхгүй байдаг тул тэдгээрийг бусад нүүрстөрөгчийн хэсгүүдээс исэлдүүлэх замаар цэвэрлэхэд ашигладаг.

Олон ханатай нүүрстөрөгчийн нано хоолойнууд нь том диаметртэй, үүний дагуу жижиг гадаргуутай байдаг тул харьцангуй жижиг органик молекулуудын хувьд эдгээр нано хоолойн гадаргуу нь тэгш байх бөгөөд шингээх чадвар нь графитжуулсан тортог эсвэл бал чулууны шингээх чадвартай ойролцоо байна. хийн хроматографийн аргаар тогтоосон .

Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь ихэвчлэн 1-2 нм диаметртэй, 50 μм урттай байдаг тул бие даасан нүүрстөрөгчийн хоолой агуулсан дээж нь том гадаргуугийн талбайтай байх ёстой бөгөөд үүний дагуу их хэмжээний шингээх чадвартай байх ёстой. Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано хоолойн шингээх чадвар нь бал чулуунаас бага боловч фуллеритээс их.

Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано гуурсыг ихэвчлэн хөндлөн огтлолын дагуу зургаан өнцөгт савлагаатайгаар угсардаг тул устөрөгч зэрэг жижиг молекулууд нь нэг ханатай нано хоолойд, хэрэв тэдгээр нь нээлттэй байвал тэдгээрийн хоорондох нүхэнд хоёуланд нь шингээх боломжтой. стек үүсэх явцад үүссэн нано хоолой.

Нано хоолойгоор хий шингээх ажлыг гадна болон дотоод гадаргуу, түүнчлэн хоолой хоорондын зайд хийж болно. Ийнхүү 4.0 ± 0.8 нм өргөнтэй олон давхаргат хоолойд азотын шингээлтийг 77 К-ийн температурт туршилтаар судалснаар шингээлт нь хоолойн дотор ба гадна гадаргуу дээр явагддаг болохыг харуулсан. Түүгээр ч зогсохгүй гаднах гадаргуу дээр дотоод гадаргуугаас 5 дахин их шингэдэг. Нэг ханатай нано хоолойнууд нь азотыг сайн шингээдэг. Цэвэрлэгдээгүй анхны хоолойнууд нь дотоод хувийн гадаргуу нь 233 м2/г, гаднах талбай нь 143 м2/г байв. Нано гуурсыг давсны болон азотын хүчлээр эмчлэх нь нийт хувийн гадаргуугийн талбайг нэмэгдүүлж, бензол, метанолыг шингээх чадварыг нэмэгдүүлсэн.

Хэдийгээр нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано гуурс нь химийн хувьд идэвхгүй боловч тэдгээрийг функциональ болгох эсвэл үүсмэл болгох боломжтой (Зураг 3).

Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано гуурсыг исэлдүүлэх замаар цэвэршүүлэхэд хана болон задгай төгсгөлд согог үүсдэг. Нано гуурсыг халаах үед ялгарах CO болон CO2-ийн хэмжээн дээр үндэслэн гэмтэлтэй нүүрстөрөгчийн атомын концентрацийг тооцоолсон. Тэдний тоо ойролцоогоор 5% байна. Эдгээр реактив бүлгүүд (карбоксил, гидроксил) бүхий нүүрстөрөгчийн атомууд нь цаашдын үйл ажиллагаанд тохиромжтой.

Цагаан будаа. 3. Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано хоолойн функциональ байдал

Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано гуурсан хоолойн ковалент бус дүүргэгчийг гадаргуугийн идэвхтэй бодисоор үүсгэж, тэдгээрийг полимер молекулуудаар бүрэх (боох) нь нүүрстөрөгчийн нано гуурсыг функциональжуулах арга гэж үзэж болно. Энэхүү функционалчлалыг усан орчинд додецил сульфатаар нано хоолойг тусгаарлах, цэвэршүүлэхэд ашигладаг. Усан уусмал дахь нүүрстөрөгчийн нано хоолойтой биополимерын гидрофоб хэсгүүдийн харилцан үйлчлэлийн үр дүнд нано хоолойтой биополимер (уураг) -ийн цогцолбор үүсэх боломжтой.

Поливинилпирролидон эсвэл полистирол сульфонат зэрэг туйлын бүлгүүдийг агуулсан полимер молекулуудад нүүрстөрөгчийн нано хоолойг боох нь усанд нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано хоолой бүхий эдгээр полимерүүдийн цогцолборуудын тогтвортой уусмалыг бий болгоход хүргэдэг.

Нүүрстөрөгчийн нэг ханатай нано хоолойн доторх зайг молекулуудыг хадгалахад ашиглаж болно. Тиймээс нано хоолойн хөндийд янз бүрийн нэгдлүүдийг нэвтрүүлэх нь тэдгээрийн функциональ арга гэж үзэж болно.

Нано бөөмсийн өнгө яагаад хэмжээнээс хамаардаг вэ?

/ 2008.05.22

Нано ертөнцөд бодисын олон механик, термодинамик, цахилгаан шинж чанар өөрчлөгддөг. Тэдний оптик шинж чанарууд нь үл хамаарах зүйл биш юм. Тэд мөн нано ертөнцөд өөрчлөгддөг. Бидний эргэн тойронд ердийн хэмжээтэй биетүүд хүрээлэгдсэн байдаг бөгөөд тухайн объектын өнгө нь зөвхөн түүний хийсэн бодис эсвэл будсан будгийн шинж чанараас хамаардаг гэдэгт бид дассан.

Гэсэн хэдий ч нөгөө талаас гэрлийн долгион нь ямар ч цахилгаан соронзон орны нэгэн адил нанообъект дээр ажиллах ёстой. Жишээлбэл, хагас дамжуулагч нано бөөм дээр туссан гэрэл нь цахилгаан оронтойгоо хамт атомынх нь валентийн электронуудын нэгийг салгаж чаддаг. Энэ электрон хэсэг хугацаанд дамжуулагч электрон болж, дараа нь дахин "гэртээ" буцаж, валентийн электроныг чөлөөтэй болгоход шаардагдах хамгийн бага энерги болох "хориотой зурвас" -ын өргөнтэй тохирч буй квант гэрлийг ялгаруулна (Зураг 1-ийг үз). 1).

Зураг 1. Хагас дамжуулагч дахь электроны энергийн түвшин ба энергийн зурвасын бүдүүвч дүрслэл. Цэнхэр гэрлийн нөлөөн дор электрон (цагаан тойрог) атомаас салж, дамжуулалтын зурваст шилждэг. Хэсэг хугацааны дараа энэ бүсийн хамгийн бага энергийн түвшинд бууж, улаан гэрлийн квант ялгаруулж, валентын зурвас руу буцдаг.

Тиймээс нано хэмжээтэй хагас дамжуулагч ч гэсэн бага давтамжтай гэрлийг ялгаруулахын зэрэгцээ тэдгээрийн дээр унах гэрлийг мэдрэх ёстой. Өөрөөр хэлбэл, гэрэлд байгаа хагас дамжуулагч нано бөөмс нь флюресцент болж, "зурвасын завсар"-ын өргөнтэй тохирч, тодорхой давтамжтай гэрлийг ялгаруулдаг.

Хэмжээнийхээ дагуу гэрэлтээрэй!

Хагас дамжуулагч нано бөөмсийн флюресцент чадварыг 19-р зууны төгсгөлд мэддэг байсан ч энэ үзэгдлийг зөвхөн өнгөрсөн зууны сүүлчээр л нарийвчлан тодорхойлсон байдаг (Bruchez et al., Шинжлэх ухаан, v. 281: 2013, 1998). Хамгийн сонирхолтой нь эдгээр бөөмсийн ялгарах гэрлийн давтамж нь эдгээр бөөмсийн хэмжээ ихсэх тусам буурч байсан (Зураг 2).

Зураг 2. Янз бүрийн хэмжээтэй коллоид CdTe хэсгүүдийн суспензийн флюресценц (2-оос 5 нм хүртэл, зүүнээс баруун тийш). Бүх колбуудыг дээрээс нь ижил долгионы урттай цэнхэр гэрлээр гэрэлтүүлдэг. Х.Веллерээс (Гамбургийн их сургуулийн физик химийн хүрээлэн) авсан.

Зурагт үзүүлсэн шиг. 2, нано бөөмсийн суспензийн (суспензийн) өнгө нь тэдгээрийн диаметрээс хамаарна. Флюресценцийн өнгөний хамаарал, i.e. түүний давтамж, нано бөөмийн хэмжээн дээр ν байгаа нь "цоорхой зурвас" ΔE-ийн өргөн нь бөөмийн хэмжээнээс мөн хамаарна гэсэн үг юм. Зураг 1 ба 2-ыг харахад нано бөөмсийн хэмжээ ихсэх тусам "хориотой зурвас" ΔE-ийн өргөн буурах ёстой гэж үзэж болно. ΔE = hν. Энэ хамаарлыг дараах байдлаар тайлбарлаж болно.

Эргэн тойронд хөршүүд их байвал салах нь илүү хялбар байдаг

Валентийн электроныг зайлуулж, дамжуулах зурваст шилжүүлэхэд шаардагдах хамгийн бага энерги нь зөвхөн атомын цөмийн цэнэг болон атом дахь электроны байрлалаас хамаардаггүй. Атомууд их байх тусам электроныг салгахад хялбар байдаг, учир нь хөрш зэргэлдээх атомуудын цөмүүд үүнийг өөртөө татдаг. Атомын иончлолын хувьд мөн адил дүгнэлт үнэн (3-р зургийг үз).

Зураг 3. Кристал тор (ординат) дахь хамгийн ойрын хөршүүдийн дундаж тоо нь angstroms (абсцисса) дахь цагаан алтны бөөмийн диаметрээс хамаарах хамаарал. Frenkel нараас дасан зохицсон. (J. Phys. Chem., B, v. 105:12689, 2001).

Зураг дээр. Зураг 3-т цагаан алтны атомын хамгийн ойрын хөршүүдийн дундаж тоо бөөмийн диаметр нэмэгдэхийн хэрээр хэрхэн өөрчлөгдөж байгааг харуулж байна. Бөөм дэх атомын тоо бага бол тэдгээрийн нэлээд хэсэг нь гадаргуу дээр байрладаг бөгөөд энэ нь хамгийн ойрын хөршүүдийн дундаж тоо цагаан алтны болор тортой (11) харгалзах хэмжээнээс хамаагүй бага байна гэсэн үг юм. Бөөмийн хэмжээ ихсэх тусам хамгийн ойрын хөршүүдийн дундаж тоо өгөгдсөн болор торонд тохирох хязгаарт ойртоно.

Зураг дээрээс. 3-аас үзвэл атом нь жижиг бөөмс дотор байвал иончлох (электроныг таслах) нь илүү хэцүү байдаг. Дунджаар ийм атом нь хамгийн ойрын хөршүүдтэй байдаг. Зураг дээр. Зураг 4-т янз бүрийн тооны төмрийн атом агуулсан нано хэсгүүдийн иончлолын потенциал (ажлын функц, эВ) хэрхэн өөрчлөгдөж байгааг харуулж байна. Н. Энэ нь өсөлтийн үед харагдаж байна Нажлын функц буурч, хэвийн хэмжээтэй дээжийн ажлын функцтэй харгалзах хязгаарын утга руу чиглэнэ. Өөрчлөлт гарсан нь тогтоогдсон Аширхэгийн диаметр бүхий гаралт Дтомъёогоор маш сайн тайлбарлаж болно:

Агарч = Агаралт 0 + 2 З e 2 /D , (1)

Хаана Агаралт0 - хэвийн хэмжээтэй дээжийн ажлын функц, Знь атомын цөмийн цэнэг ба д- электрон цэнэг.

Зураг 4. Төмрийн нано бөөм дэх N атомын тооноос иончлох потенциалын хамаарал (ажлын функц, эВ). Э.Родунерийн лекцээс авав (Штутгарт, 2004).

"Цоорхой" ΔE-ийн өргөн нь хагас дамжуулагч бөөмийн хэмжээнээс металл хэсгүүдийн ажлын функцтэй адил хамаардаг нь тодорхой байна (томъёо 1-ийг үзнэ үү) - бөөмийн диаметр нэмэгдэх тусам буурдаг. Иймээс хагас дамжуулагч нано бөөмийн флюресценцийн долгионы урт нь бөөмийн диаметр нэмэгдэх тусам нэмэгддэгийг Зураг 2-т үзүүлэв.

Квантын цэгүүд - хүний ​​гараар бүтсэн атомууд

Хагас дамжуулагч нано бөөмсийг ихэвчлэн "квант цэгүүд" гэж нэрлэдэг. Шинж чанараараа тэд атомуудтай төстэй - нано хэмжээтэй "хиймэл атомууд". Эцсийн эцэст атом дахь электронууд нэг тойрог замаас нөгөө тойрог замд шилжихдээ тодорхой давтамжтай квант гэрлийг ялгаруулдаг. Гэхдээ бид дотоод бүтэц, ялгаралтын спектрийг нь өөрчилж чадахгүй бодит атомуудаас ялгаатай нь квант цэгүүдийн параметрүүд нь тэдгээрийг бүтээгчид болох нанотехнологидоос хамаардаг.

Квантын цэгүүд нь эсийн доторх янз бүрийн бүтцийг харахыг хичээдэг биологичдын хувьд аль хэдийн хэрэгтэй хэрэгсэл болжээ. Баримт нь янз бүрийн эсийн бүтэц нь ижил тунгалаг бөгөөд өнгөт бус байдаг. Тиймээс хэрэв та эсийг микроскопоор харвал түүний ирмэгээс өөр юу ч харагдахгүй. Тодорхой эсийн бүтцийг харагдахуйц болгохын тулд эсийн доторх тодорхой бүтцэд наалддаг квант цэгүүдийг бий болгосон (Зураг 5).

Зураг 5. Квантын цэгүүдийг ашиглан эсийн доторх янз бүрийн бүтцийг өөр өөр өнгөөр ​​будах. Улаан - цөм; ногоон - бичил гуурсан хоолой; шар - Голги аппарат.

Зураг дээрх нүдийг будах. 5 өөр өнгөөр, квант цэгүүдийг гурван хэмжээгээр хийсэн. Ногоон өнгөтэй гялалзсан хамгийн жижиг хэсгүүд нь эсийн дотоод араг ясыг бүрдүүлдэг бичил гуурсан хоолойд наалддаг молекулуудад наасан байв. Дунд зэргийн хэмжээтэй квант цэгүүд нь Голжийн аппаратын мембранд наалдаж, хамгийн том нь эсийн цөмд наалдаж болно. Эдгээр бүх квант цэгүүдийг агуулсан уусмалд эсийг дүрж, дотор нь хэсэг хугацаанд байлгахад тэдгээр нь дотогшоо нэвтэрч, боломжтой газраа наалдсан байна. Үүний дараа эсийг квант цэг агуулаагүй уусмалд зайлж, микроскопоор байрлуулсан. Хүний таамаглаж байсанчлан дээр дурьдсан эсийн бүтэц нь олон өнгөтэй болж, тод харагддаг (Зураг 5).

Нано бөөмсийн атомын бүтэц ба хэлбэр

Өмнө дурьдсанчлан, нано бөөмс нь конденсацийн онцгой төлөв байдал бөгөөд тэдгээрийн бүтэц, гадаад хэлбэрээрээ тодорхойлогддог. Хамгийн алдартай жишээ бол бидний дурдсан графен болон нано хоолой юм. Энэ бүлэгт бид нано бөөмийн бүтэц, хэлбэр нь нано бөөмийн хэмжээнээс хамаарч хэрхэн өөрчлөгдөж болохыг харуулах болно, i.e. Үүнд багтсан атомын тоо.

Нүүрстөрөгч болон цахиур хоёрын харьцуулалтаас эхэлцгээе. Уг ажил нь нүүрстөрөгчийн шугаман бөөгнөрөл (гинж) ба графен шиг бүтэцтэй хавтгай кластеруудын энергийн харьцуулсан судалгааг хийсэн (зургаан өнцөгт эсүүдээс бүрддэг). Загвар хийхдээ хагас эмпирик PM3 арга болон нягтын функциональ онол (DFT) дээр суурилсан аргыг ашигласан.

Цагаан будаа. 19. Шугаман нүүрстөрөгчийн гинжин хэлхээний атомын диаграммууд (зүүн талд) ба графен шиг хавтгай кластер (баруун талд).

Нүүрстөрөгчийн системийг PM3 аргаар сайн загварчилсан. Тооцооллоос харахад шугаман гинж болон графен төстэй кластеруудын аль алинд нь хэмжээнээс үл хамааран C-C тэнцвэрийн зай 1.3 Å-тэй тэнцүү байна. Гэхдээ нэг атомын холболтын энерги өөр байна. Бид холболтын энергийг томъёогоор тооцоолсон

,

Хаана Э(атом) - чөлөөт атомын энерги; Э(бөөгнөрөл, Н) - эрчим хүч Н- атомын бөөгнөрөл. Бид шугаман кластеруудыг тооцоолж эхэлсэн Н = 2, мөн зургаан өнцөгт s Н = 6, учир нь хамгийн бага зургаан өнцөгт бөөмсийг бүтээхэд яг 6 атом шаардлагатай.

Цагаан будаа. 20. Нүүрстөрөгчийн хэсгүүдийн холболтын энергийн хамаарал (үнэмлэхүй утгаараа). 1-шугаман гинж ( Элин), 2 - графен төстэй кластерууд ( Эграфик).

Зураг дээрээс. 20 хэзээ гэдэг нь тодорхой Н = 6 Э lin > Эграфик Учир нь Н = 12 Элин< Эграфик , мөн кластерын хэмжээ нэмэгдэхийн хэрээр ( Н > 20) зургаан өнцөгт бүтэцтэй бөөгнөрөл үүсэх хандлага нь илүү эрчим хүчний хувьд таатай байдаг. Энэ тохиолдолд графен төст бөөмсийн хэлбэр нь хавтгай байхаа больж, фуллерен бөмбөрцгийн (эсвэл нано хоолой) муруйлттай төстэй муруйлт (Зураг 21) олж авдаг бөгөөд энэ нь захын нүүрстөрөгчийн атомууд ханах хүсэлтэй байдагтай холбоотой юм. тэдгээрийн ханаагүй ковалент холбоо.

Цагаан будаа. 21. Муруйлттай графен төстэй бөөгнөрөлийн фрагментийн харагдах байдал.

Тиймээс нүүрстөрөгчийн атомын тоо хорь гаруй байвал эсийн бөөгнөрөл болж нийлж, фуллерен (эсвэл нано хоолой) зэрэг бүрхүүлийн тоосонцор үүсгэх хандлагатай байдаг. Эдгээр кластеруудад атом бүр дөрвөн хөрштэй адил хүчтэй (тетраэдр) холбоо бүхий алмазаас ялгаатай нь гурван хөрштэй холбогддог. Тооцооллоос харахад тетраэдр холбоо бүхий нүүрстөрөгчийн кластерууд тогтворгүй бөгөөд өөрсдийгөө дахин зохион байгуулах хандлагатай байдаг. Байгалийн хувьд алмазын талстууд нь тогтворгүй байдаг бөгөөд бал чулууг алмаз болгон хувиргахад өндөр даралт, температур шаардлагатай байдаг.

Уг ажил нь устөрөгчийн атом болон янз бүрийн металлаар гадаад (ханаагүй) бондыг ханасан алмаазан тетраэдр бүтэцтэй жижиг нүүрстөрөгчийн кластеруудыг тогтворжуулах боломжийг судалсан.

Юуны өмнө бид устөрөгчөөр төгссөн C 5 ба C 8 кластеруудыг судалсан: C 5 H 12 ба C 8 H 18. C 5 H 12 кластерын геометрийн параметрүүд нь задгай алмазын параметрүүдтэй маш ойрхон байв. г= 1.55–1.56 Å ба θ = 109.1–110.1º. Геометрийн жижиг гажуудал нь устөрөгчийн атомуудын харилцан үйлчлэлийн үр дүнд үүсдэг. Бидний хүлээлтээс эсрэгээр C 8 H 18 кластерын геометр нь тийм ч төгс биш болсон. Ялангуяа дотоод зай С-С ( г-д) 1.62 Å болж өссөн бол гаднах зай ( ггарч) 1.54 Å-ийн хэвийн утгыг хадгалсан. Дотоод өнцөг ( θ in) мөн гаднах өнцгөөс хэтэрсэн ( θ гарч). C 5 H 12 ба C 8 H 18 кластеруудын геометрийн дэлгэрэнгүй мэдээллийг C 5 Me 12 ба C 8 Me 18 системийн геометрийн параметрүүдтэй харьцуулан 5-р хүснэгтэд өгсөн бөгөөд энд Me тэмдэг нь Li, K, Cu, Ag эсвэл Au.

Цагаан будаа. 22. Судалгаанд хамрагдсан алмаазтай төстэй наносластеруудын схемүүд. Цагаан тойрог нь нүүрстөрөгчийн атомууд, хар тойрог нь металл (эсвэл устөрөгч) атомууд юм.

Хүснэгт 5. Геометрийн параметрүүд ( г, гонд, ггарч, θ , θ онд, θ гарч) H, Li, K, Cu, Ag эсвэл Au атомуудаар төгссөн алмааз шиг C 5 ба C 6 кластеруудын хувьд.

Li, K, Ag атомуудаар төгссөн С5 кластерууд димержсэн байна. Энэ нь хоёр гаднах нүүрстөрөгчийн атом нь 1.31-1.36 А урттай димер үүсгэдэг гэсэн үг юм. Энэхүү димеризаци нь бондын хоорондох өнцгийг мэдэгдэхүйц өөрчлөхөд хүргэдэг. Димерүүдийн эсрэг талын өнцөг нь жижиг болж (~50º), харин бусад өнцөг нь 118-120º болж нэмэгддэг. Зэс, алт нь C 5 кластерын алмааз шиг бүтцийг хадгалдаг. Харин зэсийн хувьд геометрийн үзүүлэлтүүд ( г= 1.51 Å ба ба θ = 109.06º) нь алтныхаас алмазын параметрүүдэд арай ойрхон байна. г= 1.44 Å ба θ = 110.41º.

Лити ба калигаар төгссөн C8 кластерууд нь тогтворгүй гэж 1-р хүснэгтэд тэмдэглэсэн. Энэ нь тэдний анхны очир алмаазтай төстэй бүтцийг тайвшруулах явцад ихээхэн сэргээсэн гэсэн үг юм. Хоёр системд С-С димер үүсч, атом хоорондын холбоо гажиж, мушгиж, үүнээс гадна калийн хувьд зарим металлын атомууд нүүрстөрөгчийн бөөгнөрөлөөс салж, өөрийн бөөгнөрөл (гурвалжин, шугаман гинж гэх мэт) үүссэн. Ag (Au) -аар төгссөн C 8 кластерууд мэдэгдэхүйц уртассан. Нүүрстөрөгчийн дотоод атомуудын хоорондох зай 2.4 (2.2) Å, харин гаднах атомууд нь дотроос 1.42 (1.46) Å зайгаар тусгаарлагддаг. Үүний дагуу дотоод өнцөг θ in нь багасч, гадаад θ гарч 109.47º утгатай харьцуулахад нэмэгдсэн байна. Хамгийн сайн тохиолдол бол зэсийн төгсгөл юм. Энэ нь өгдөг г= 1.50-1.51 Å ба θ = 109.14-110.04º, өөрөөр хэлбэл. алмазтай харгалзах үнэ цэнэ нь маш ойрхон байна. Зэсээр дуусгавар болгох нь устөрөгчтэй харьцуулахад илүү сайн үр дүнг өгдөг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.

Өөр өөр төгсгөлтэй нүүрстөрөгчийн кластеруудын энергийн шинж чанарыг харьцуулах нь сонирхолтой юм, тухайлбал: наалдамхай энергийг харьцуулах ( Э adh) захын нүүрстөрөгчийн атомуудын холбоог хангадаг металл (эсвэл устөрөгч) атомуудын хувьд:

Хаана Э(систем) - нүүрстөрөгчийн нанокластер ба түүнийг төгсгөл болгож буй металл (эсвэл устөрөгч) атомуудаас бүрдэх сул системийн энерги; Э(нүүрстөрөгч) ба Э(Me эсвэл H) нь нүүрстөрөгчийн бөөгнөрөл болон бие биенээсээ тусгаарлагдсан төгсгөлийн атомуудын бүлэг, геометрийг сул системээс авсан энерги; Н(Me эсвэл H) нь дуусгавар болгоход хэрэглэгддэг металл (эсвэл устөрөгч) атомын тоо юм.

Харьцуулалтын үр дүнг Хүснэгт 6-д үзүүлэв. Эдгээр өгөгдлийн дүн шинжилгээ нь устөрөгчийн атомууд алмаз шиг нүүрстөрөгчийн нанокластерт хамгийн их наалддаг болохыг харуулж байна. Ийм өндөр наалдамхай энерги (4-6 эВ) нь бага температурт алмаз шиг нанокластеруудын цаашдын өсөлтөд саад болно гэж үзэж болно. Нөгөөтэйгүүр, металлын наалдамхай энерги нь 1.5 эВ-ээс хэтрэхгүй тул нүүрстөрөгчийн бөөгнөрөлийн зааг дээр нэмэлт нүүрстөрөгчийн атомууд металлын атомыг хялбархан орлуулж чаддаг бөгөөд энэ тохиолдолд алмаз шиг хэсгүүдийн өсөлт үргэлжлэх боломжтой. Бидний тооцоолсноор зэсийн атомууд нүүрстөрөгчийн нанокластерын алмаз шиг геометрийг устөрөгчийн атомаас ч илүү тогтворжуулдаг.

Хүснэгт 6. Төрөл бүрийн атомын наалдацын энерги (eV).

Эдгээр үр дүнг цахиурын хэсгүүдийн загварчлалтай харьцуулж үзье. Ажлын хүрээнд цахиурын жижиг нано хэсгүүд (Si 2-оос Si 10 хүртэл), тэдгээрийн бүтэц, энергийг судалсан. Загварын хувьд өөрчлөгдсөн Hartree-Fock (HF) аргыг ашигласан. Өөрчлөлт (MP4) нь цахим хамаарлыг харгалзан үзэхээс бүрдсэн. Кластер бүрийн хувьд хэд хэдэн боломжит геометрийн тохиргоог авч үзсэн бөгөөд тус бүрийг нийт энергийг багасгах замаар оновчтой болгосон. Тэдний заримыг Зураг дээр үзүүлэв. 23.

Цагаан будаа. 23. Цахиурын жижиг кластеруудын схемүүд. Зайг ангстремоор өгсөн.

Хүснэгт 7-д туршилттай харьцуулахад MP4 ба HF аргаар тооцоолсон холболтын энергийг харуулав.

Хүснэгт 7. Туршилттай харьцуулахад MP4 ба HF аргаар тооцоолсон холболтын энергийн утгыг.

Хүснэгтийн өгөгдөл нь нано бөөмс томрох тусам түүний доторх атомуудын холболтын энерги нь их хэмжээний (их хэмжээний) материалын холболтын энергид ойртож байгааг харуулж байна. Сонгодог Хартри-Фок арга (цахим хамаарлыг тооцохгүйгээр) холболтын энергийг мэдэгдэхүйц дутуу үнэлдэг нь тодорхой байна.

Үүнтэй төстэй судалгааг дараа нь DFT аргыг ашиглан хийсэн. Зохиогчид 10 Å хэмжээтэй кластеруудын хооронд вакуум цоорхойг бий болгосон 30 AU supercell бүхий орчуулгын аргыг ашигласан. Тооцооллыг Kleinman-Bylander хэлбэрийн псевдопотенциал бүхий LDA-ийн ойролцоо тооцоогоор хийсэн. Цахиурын долгионы функцийг илэрхийлэхийн тулд 10 Ry-ийн таслах энерги бүхий хавтгай долгионы суурийг ашигласан. Судалгаанд хамрагдсан кластерийн бүтцийг Зураг дээр үзүүлэв. 24 ба Хүснэгт 4-т тэдгээрийн атомд ногдох холбогдох энергийг харуулав. Цахиурын жижиг нано бөөмсийн хэлбэр, тэгш хэм нь атомын тоо бүрт өвөрмөц байдгийг зургаас харж болно. Хүснэгтээс харахад энэхүү тооцоолол нь атомын тоо нэмэгдэх тусам холболтын энерги нь задгай материалын (4.63 эВ) шинж чанарт ойртож байгааг харуулж байна.

Цагаан будаа. 24. Ажилд авч үзсэн цахиурын кластеруудын хэлхээ.

Цахиурын бөөгнөрөл дэх атомын тооноос холбох энергийн хамаарлыг Зураг 25-т үзүүлэв.

Цагаан будаа. 25. Цахиурын бөөгнөрөл дэх атомын тооноос холбох энергийн хамаарал.

Зураг дээрх графикаас. 25 холбогч энерги нь монотон нэмэгдэхгүй нь тодорхой байна. At n= 7 ба 10 орон нутгийн максимум ажиглагдаж байна. Ийм кластерууд (хамгийн их холболтын энергитэй) туршилтанд ихэвчлэн тохиолддог тул "ид шид" гэж нэрлэдэг.

Өмнө дурьдсанчлан, загварчлалын анхны зарчмууд нь олон төрлийн элементийн атомуудаас бүрдэх нэг төрлийн бус наносистемийн бүтэц, шинж чанарыг хангалттай дүрслэх боломжийг олгодог. Тухайлбал, аморф цахиурын давхар ислийн нано хэсгүүдийг уг ажилд судалжээ.

Цахиурын давхар исэл нь янз бүрийн техник, химийн технологид хэрэглэгддэг гол материалуудын нэг юм. Аморф цахиурын давхар исэл нь хүчилтөрөгчийн атомууд эсвэл богино зигзаг Si-O-Si гинжээр холбогдсон Si-O цагирагуудаас бүрддэг гэдгийг мэддэг. Энэ ажил нь том аморф SiO 2 нь зургаан өнцөгт цагираг давамгайлдаг болохыг харуулсан. Гэсэн хэдий ч бусад ажилд SiO 2-ийн нимгэн хальсан дээр цагиргуудын ихэнх хэсэг нь 4 булантай байдаг гэж тэмдэглэжээ. Нано бөөмсийн нөхцөл байдал ямар байна вэ?

Хагас эмпирик AM1 аргыг ашиглан янз бүрийн хэмжээтэй бөөмсийг (192 атом хүртэл: 64 Si ба 128 O) авч үзсэн бөгөөд ижил ажилд цахиур дээрх хүчилтөрөгчийн химасорбцийг судлах асуудлын хүрээнд хийсэн тооцоололтой харьцуулан туршиж үзсэн болно. DFT-LDA-ийн хүрээ. Дараа нь өнцгийн тоогоор тусгаарлагдсан дан цагирагуудын тэнцвэрийн бүтцийг тооцоолсон n 2-оос 6. Тэдгээрийг Зураг дээр үзүүлэв. 26.

Цагаан будаа. 26. Цагираг хэлбэртэй бөөмс (SiO 2)n.

Янз бүрийн хэмжээтэй аморф нано бөөмс үүсгэх ажлыг дараах байдлаар гүйцэтгэсэн. Тодорхой тооны SiO 2 молекулыг авч, 5 Å-ийн давтамжтай шоо торны зангилаанууд дээр байрлуулсан. Дараа нь молекулуудын байрлал, тэдгээрийн чиглэлийн өнцгийг санамсаргүй байдлаар өөрчилсний дараа атомын тэнцвэрт геометрийг олж авах хүртэл бүтцийг оновчтой болгох процедурыг эхлүүлэв. Мэдээжийн хэрэг, энэ тохиолдолд температурын нөлөөлөл байхгүй тул зөвхөн орон нутгийн эрчим хүчний хамгийн бага хэмжээнд хүрсэн. Молекулуудын эхлэлийн тархалт эцсийн үр дүнд хэрхэн нөлөөлж байгааг судлахын тулд бид өөр өөр эхлэлийн тархалттай хэд хэдэн тооцоолол хийсэн. Энэ тохиолдолд хоёр хэмжээтэй бөөмсийг судалсан: A) 81-атом (SiO 2-ын 27 молекул) ба B) 192-атом (SiO 2-ын 64 молекул). Ийм бөөмсийн ердийн зургийг Зураг дээр үзүүлэв. 27. Бөөм болгонд өөр өөр хэмжээтэй цагираг байдаг нь тогтоогдсон.

Цагаан будаа. 27. Санамсаргүй байрлалтай SiO 2 молекулуудыг нэгтгэн гаргаж авсан цахиурын давхар ислийн нано хэсгүүд.

Хүснэгт 8-д статистик мэдээллийг харуулав n – судлагдсан нано бөөмс дэх өнцгийн SiO цагираг. 81 атом ба 192 атомын аль алинд нь 2 өнцөгт цагираг давамгайлж байгааг харахад хялбар байдаг. Гэсэн хэдий ч хэмжээ нь нэмэгдэх тусам цагирагийн тоо нэмэгддэг n 3, 4, 5,6-тай тэнцүү, тэр ч байтугай цагирагууд гарч ирнэ n= 7. Тэгэхээр эзэлхүүний шинж чанар үүсэх хандлага нэлээд тодорхой байна.

Хүснэгт 8. Статистик n – судлагдсан нано бөөмс дэх өнцгийн SiO цагираг.

Бондын энерги хэрхэн ажилладагийг харах нь бас сонирхолтой юм Э b ба диэлектрикийн хувьд зурвасын завсар зэрэг чухал хэмжигдэхүүн. Гэсэн хэдий ч нано бөөмсийн хувьд "хамгийн зай" гэсэн ойлголт нь шууд утгаараа хүлээн зөвшөөрөгдөхгүй гэдгийг тодруулах хэрэгтэй. Нано бөөмсийн электрон бүтцэд ямар ч зурвас байхгүй, зөвхөн бие биенээсээ хол эсвэл ойр байж болох бие даасан энергийн түвшин байдаг. Гэсэн хэдий ч нано бөөмсийн хувьд молекулуудын хувьд "энергийн цоорхой" гэсэн ойлголт байдаг. Э gap , энэ нь дээд дүүргэсэн төлөвүүдийг доод дүүргэгдээгүй байдлаас тусгаарладаг бөгөөд энэ нь тэдний хувьд зурвасын завсарын үүрэг гүйцэтгэдэг. Хүснэгт 9-д өгөгдлийг харуулав Э b (нэг молекулын эВ) ба Эцахиурын нано хэсгүүдийн завсар (eV).

Хүснэгт 9. Эрчим хүчний зөрүүгийн утгууд Эзавсар (eV) ба холбох энерги Э b (eV) цахиурын давхар ислийн нано хэсгүүдийн хувьд: A – 81 атом, B – 192 атом.

Тооцооллоос харахад SiO 2 нано бөөмсийн энергийн ялгаа нь бөөмийн хэмжээнээс бараг хамааралгүй бөгөөд хэмжээ нь цахиурын давхар ислийн (8-9 эВ) ойролцоо байна. Хүлээгдэж байгаачлан бөөмс өсөх тусам холболтын энерги нэмэгддэг.

нано хэсгүүд Нэгтгэх, задлах нано хэсгүүд. ... .03.2009). Компьютерзагварчлалнано бүтэц болон нано системүүд. Микроскоп ба месоскопийн аргууд загварчлал(Монте Карло...

Хичээлийн хөтөлбөр

(Төгсгөлийн ажлын талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг 8-р лекцийн дараа нийтлэх болно.)
В.В.ЕРЕМИН,

А.А.ДРОЗДОВ
ЛЕКЦ №1

"Нано" угтварын ард юу нуугдаж байна вэ?

Нано шинжлэх ухаан ба нанохими Сүүлийн жилүүдэд бид “нано” гэсэн угтвараар эхэлсэн үгсийг сонины гарчиг, сэтгүүлийн нийтлэлээс их харах болсон. Радио, телевизээр нанотехнологийн хөгжлийн хэтийн төлөв, олж авсан анхны үр дүнгийн талаар бараг өдөр бүр мэдээлдэг. "Нано" гэдэг үг ямар утгатай вэ? Энэ нь латин үгнээс гаралтайнанус

- "одой" гэдэг нь бөөмсийн жижиг хэмжээг илэрхийлдэг. Эрдэмтэд "нано" угтварыг илүү нарийн утгыг, тухайлбал тэрбумын нэг хэсгийг өгсөн.

Химийн нэгдлүүдийг нь ангижруулж алтны уусмал бэлтгэдэг түүх нь эрт дээр үеэс эхэлдэг. Тэд эртний хүмүүсийн дурьдсан, алтнаас гаргаж авсан “амьдрах үрэл” байсан байж магадгүй юм.

16-р зуунд амьдарч байсан нэрт эмч Парацельс "уусдаг алт" бэлтгэх, түүнийг анагаах ухаанд ашиглах талаар дурдсан байдаг. Коллоид алтны шинжлэх ухааны судалгаа дөнгөж 19-р зуунд эхэлсэн. Сонирхуулахад, тухайн үед бэлтгэсэн зарим уусмалууд хадгалагдан үлджээ. 1857 онд Английн физикч М.Фарадей уусмалын тод өнгө нь суспенз дэх алтны жижиг хэсгүүдээс шалтгаалсан болохыг баталжээ. Одоогийн байдлаар коллоид алтыг гидроаурик хүчлээс натрийн боргидридыг толуолд нэмсэн гадаргуугийн идэвхтэй бодисоор ангижруулж гаргаж авдаг бөгөөд энэ нь уусмалын тогтвортой байдлыг нэмэгдүүлдэг (лекц No7, 1-р даалгаврыг үзнэ үү). Бие даасан атомуудаас нано бөөмсийг олж авах энэ арга, i.e. хэмжээ нь доороос дээш, ихэвчлэн өсөх гэж нэрлэдэг (Англи -доороос дээш ).Энэ нь нано бөөмсийг нийлэгжүүлэх химийн аргуудын онцлог юм. Алтны гулдмайг хуваах талаар бидний тайлбарласан бодлын туршилтанд бид эсрэгээр - дээрээс доош (

дээрээс доош

Нанообъект агуулсан материалуудтай хүн төрөлхтөн олон зууны тэртээ танилцсан. Дундад зууны үед Сирид (нийслэл Дамаск болон бусад хотуудад) тэд хүчтэй, хурц, дэгжин ир, сэлэм хийж сурсан. Олон жилийн турш мастерууд Дамаскийн ган бэлтгэх нууцыг бие биедээ гүн нууцлалтайгаар дамжуулж байв.

Дамаскаас дутахааргүй зэвсгийн ганг бусад орнуудад - Энэтхэг, Японд бэлтгэсэн. Ийм гангийн чанарын болон тоон шинжилгээ нь эрдэмтэд эдгээр материалын өвөрмөц шинж чанарыг тайлбарлах боломжийг олгосонгүй. Энгийн гангийн нэгэн адил төмрийн хамт тэдгээр нь жингийн 1.5% орчим нүүрстөрөгч агуулдаг. Дамаскийн гангийн найрлагаас металлын хольц олдсон, жишээлбэл, зарим хүдэрт төмрийг дагалддаг манган, хүдрээс ангижрах явцад төмрийг нүүрстэй харьцах замаар үүссэн цементит - төмрийн карбид Fe 3 C. Гэсэн хэдий ч Дамасктай яг ижил тооны найрлагатай ган бэлтгэсний дараа эрдэмтэд анхны шинж чанарт хүрч чадаагүй юм. Материалд дүн шинжилгээ хийхдээ эхлээд түүний бүтцэд анхаарлаа хандуулах хэрэгтэй!Германы эрдэмтэд Дамаскийн гангийн хэсгийг давсны хүчилд уусгасны дараа түүнд агуулагдах нүүрстөрөгч нь энгийн хавтгай бал чулууны ширхэг биш, харин нүүрстөрөгч үүсгэдэг болохыг олж мэдэв.

нано хоолой

Дундад зууны үед бидний өнөөдөр наноматериал гэж нэрлэдэг бодисыг бий болгоход эмпирик байдлаар хандсан, i.e. олон жилийн туршилтын үр дүнд ихэнх нь бүтэлгүйтсэн. Гар урчууд өөрсдийн хийсэн үйлдлийнхээ утгыг огт боддоггүй байсан бөгөөд эдгээр бодис, материалын бүтцийн талаар үндсэн ойлголт ч байгаагүй. Одоогийн байдлаар наноматериал бүтээх нь шинжлэх ухааны үйл ажиллагааны объект болжээ. Шинжлэх ухааны хэлэнд "нано шинжлэх ухаан" гэсэн нэр томъёо аль хэдийн бий болсон.нано шинжлэх ухаан ), энэ нь нанометрийн хэмжээтэй бөөмсийг судлах талбарыг илэрхийлдэг. Орос хэлний фонетикийн үүднээс энэ нэр тийм ч амжилттай биш байгаа тул та өөр нэг, нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн "нано масштабын шинжлэх ухаан" (Англи хэл -) ашиглаж болно.).

нано хэмжээний шинжлэх ухаан

Нано шинжлэх ухаан нь хими, физик, материал судлал, компьютерийн технологийн уулзвар дээр хөгждөг. Энэ нь олон програмтай. Электроникийн салбарт наноматериал ашиглах нь хадгалах төхөөрөмжийн багтаамжийг мянга дахин нэмэгдүүлж, улмаар хэмжээг нь багасгах төлөвтэй байна. Рентген туяатай хослуулан алтны нано хэсгүүдийг биед нэвтрүүлэх нь хорт хавдрын эсийн өсөлтийг дарангуйлдаг нь батлагдсан. Сонирхолтой нь, алтны нано хэсгүүд нь өөрөө эдгээх үйлчилгээ үзүүлдэггүй. Тэдний үүрэг нь рентген туяаг шингээж, хавдар руу чиглүүлэхэд чиглэгддэг.

Эмч нар хорт хавдрыг оношлох биосенсорын эмнэлзүйн туршилт дуусахыг хүлээж байна. Нано бөөмсийг аль хэдийн биеийн эд эсэд эм хүргэж, муу уусдаг эмийн шингээлтийн үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд ашиглаж байна. Мөнгөний нано бөөмсийг савлагааны хальсанд түрхэх нь бүтээгдэхүүний хадгалах хугацааг уртасгах боломжтой. Нано бөөмсийг шинэ төрлийн нарны хавтан болон түлшний эсүүд - түлшний шаталтын энергийг цахилгаан болгон хувиргах төхөөрөмжид ашигладаг. Ирээдүйд тэдгээрийг ашигласнаар дулааны цахилгаан станцууд болон тээврийн хэрэгслийн дотоод шаталтат хөдөлгүүрт нүүрсустөрөгчийн түлшний шаталтаас татгалзах боломжтой болох бөгөөд тэд манай гаригийн байгаль орчны нөхцөл байдлыг доройтуулахад хамгийн их хувь нэмэр оруулж байгаа хүмүүс юм. Ийнхүү нано бөөмс нь байгаль орчинд ээлтэй материал, эрчим хүч үйлдвэрлэх арга замыг бий болгох зорилготой юм. Нано шинжлэх ухааны даалгавар бол нанообъектуудын механик, цахилгаан, соронзон, оптик, химийн шинж чанарыг судлах явдал юм.нано шинжлэх ухааны бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг болохын хувьд нанообъектуудын синтезийн аргыг боловсруулах, химийн шинж чанарыг судлах чиглэлээр ажилладаг. Нано объектууд нь олон материалын нэг хэсэг учраас энэ нь материалын шинжлэх ухаантай нягт холбоотой юм.

Нанохимийн анагаах ухаанд хэрэглэх нь маш чухал бөгөөд үүнд эм зөөвөрлөхөд үйлчилдэг байгалийн уураг эсвэл нанокапсултай холбоотой бодисуудын нийлэгжилт орно. Нано шинжлэх ухааны ололт амжилт нь хөгжлийн үндэс болдогнанотехнологи

– нанообъектуудыг үйлдвэрлэх, ашиглах технологийн процессууд. Нанотехнологи нь сургуулийн химийн хичээл дээр яригддаг химийн үйлдвэрлэлийн жишээнүүдтэй ижил төстэй зүйл багатай. Энэ нь гайхмаар зүйл биш юм - эцсийн эцэст нанотехнологичид 1-100 нм хэмжээтэй объектуудыг удирдах ёстой. бие даасан том молекулуудын хэмжээтэй байх. Нанотехнологийн хатуу тодорхойлолт байдаг*:Энэ нь бүтэц, төхөөрөмж, системийг судлах, зохион бүтээх, үйлдвэрлэх, ашиглахад ашигладаг, тэдгээрийн бүрдүүлэгч нано хэмжээст элементүүдийн (1-100 нм) хэлбэр, хэмжээ, нэгдмэл байдал, харилцан үйлчлэлийг чиглүүлэх, өөрчлөх зэрэг арга, техникийн цогц юм. шинэ химийн, физик, биологийн шинж чанартай объектуудыг олж авах.

Энэхүү тодорхойлолтын гол зүйл бол нанотехнологийн гол ажил бол шинэ шинж чанартай объектуудыг олж авах явдал гэдгийг онцолсон сүүлчийн хэсэг юм.

Хэмжээний нөлөө

Бодисын өнгө, дулаан, цахилгаан дамжуулах чанар, хайлах цэг зэрэг олон физик шинж чанар нь бөөмийн хэмжээнээс хамаардаг гэдгийг мэддэг. Жишээлбэл, 5 нм хэмжээтэй алтны нано хэсгүүдийн хайлах температур нь энгийн алтныхаас 250° бага байдаг (Зураг 4). Алтны нано бөөмсийн хэмжээ ихсэх тусам хайлах температур нэмэгдэж, 1337 К-ийн утгад хүрдэг бөгөөд энэ нь ердийн материалын шинж чанар юм (энэ нь бөөнөөр фаз буюу макрофаз гэж нэрлэгддэг).

Шил нь харагдах гэрлийн долгионы урттай харьцуулж болохуйц хэмжээтэй тоосонцор агуулсан байвал өнгө олж авдаг. нано хэмжээтэй байна. Энэ нь янз бүрийн хэмжээтэй металлын нано хэсгүүд эсвэл тэдгээрийн ислийг агуулсан дундад зууны үеийн будсан шилэн цонхны тод өнгийг тайлбарладаг. Материалын цахилгаан дамжуулах чанарыг дундаж чөлөөт замаар тодорхойлдог - атомтай хоёр мөргөлдөх хооронд электрон туулдаг зай. Үүнийг мөн нанометрээр хэмждэг. Хэрэв металлын нано бөөмийн хэмжээ энэ зайнаас бага байвал материал нь энгийн металлын шинж чанаргүй тусгай цахилгаан шинж чанарыг бий болгоно гэж хүлээх хэрэгтэй.

Тиймээс нанообъектууд нь зөвхөн жижиг хэмжээтэй төдийгүй материалын салшгүй хэсэг болж ажиллахдаа онцгой шинж чанараараа тодорхойлогддог. Жишээлбэл, "алтан бадмаараг" шил эсвэл алтны коллоид уусмалын өнгө нь нэг алтны нано бөөмөөс бус харин тэдгээрийн нэгдлээс үүсдэг. бие биенээсээ тодорхой зайд байрлах олон тооны бөөмс.

1000-аас ихгүй атом агуулсан бие даасан нано бөөмсийг нэрлэдэг нанокластерууд. Ийм бөөмсийн шинж чанар нь асар олон тооны атом агуулсан талстуудын шинж чанараас эрс ялгаатай байдаг. Энэ нь гадаргуугийн онцгой үүрэгтэйгээр тайлбарлагддаг. Үнэн хэрэгтээ хатуу бодисуудтай холбоотой урвал нь бөөнөөр нь биш, харин гадаргуу дээр явагддаг. Жишээ нь цайрын давсны хүчилтэй харилцан үйлчлэлцэх явдал юм. Хэрэв та анхааралтай ажиглавал цайрын гадаргуу дээр устөрөгчийн бөмбөлөг үүсч, гүнд байрлах атомууд урвалд оролцдоггүй болохыг харж болно. Учир нь гадаргуу дээр хэвтэж буй атомууд илүү их энергитэй байдаг Тэд болор торонд цөөн хөрштэй байдаг. Бөөмийн хэмжээ аажмаар буурах нь нийт гадаргуугийн талбайн хэмжээ нэмэгдэж, гадаргуу дээрх атомын эзлэх хувь (Зураг 5) нэмэгдэж, гадаргуугийн энергийн үүрэг нэмэгддэг. Энэ нь ялангуяа атомын ихэнх хэсэг нь гадаргуу дээр байрладаг нанокластерт том хэмжээтэй байдаг. Тиймээс жишээлбэл, наноголд нь ердийн алтнаас хэд дахин илүү химийн идэвхтэй байдаг нь гайхах зүйл биш юм. Жишээлбэл, TiO 2-ийн гадаргуу дээр хуримтлагдсан 55 атом (диаметр 1.4 нм) агуулсан алтны нано хэсгүүд нь стиролыг агаар мандлын хүчилтөрөгчтэй бензальдегид болгон сонгомол исэлдүүлэх сайн катализатор болдог. Байгаль, 2008):

C 6 H 5 –CH=CH 2 + O 2 -> C 6 H 5 –CH=O + H 2 O,

харин 2 нм-ээс их диаметртэй тоосонцор, тэр ч байтугай энгийн алт нь катализаторын идэвхийг огт үзүүлдэггүй.

Хөнгөн цагаан нь агаарт тогтвортой байдаг бөгөөд хөнгөн цагааны нано хэсгүүд нь агаар мандлын хүчилтөрөгчөөр шууд исэлдэж, Al 2 O 3 исэл болж хувирдаг.

Агаар дахь 80 нм диаметртэй хөнгөн цагааны нано хэсгүүд нь 3-5 нм зузаантай ислийн давхаргад дарагддаг болохыг судалгаагаар тогтоожээ. Өөр нэг жишээ: энгийн мөнгө нь шингэрүүлсэн хүчилд (азотын хүчлээс бусад) уусдаггүй гэдгийг сайн мэддэг. Гэсэн хэдий ч маш жижиг мөнгөн нано хэсгүүд (5-аас ихгүй атом) нь цууны хүчил зэрэг сул хүчилд ч гэсэн устөрөгч ялгардаг тул уусмалын хүчиллэгийг рН = 5 үүсгэхэд хангалттай (лекц № 8-ыг үзнэ үү , даалгавар 4). Нано бөөмсийн физик, химийн шинж чанар нь тэдгээрийн хэмжээнээс хамаарахыг нэрлэдэг. Энэ бол нанохимийн хамгийн чухал нөлөөний нэг юм. Тэрээр аль хэдийн сонгодог шинжлэх ухаан, тухайлбал химийн термодинамикийн үүднээс онолын тайлбарыг олсон. Иймд хайлах температурын хэмжээнээс хамаарах нь нано бөөмс доторх атомууд гадаргын нэмэлт даралтыг мэдэрч, Гиббсийн энергийг өөрчилдөгтэй холбон тайлбарладаг (лекц No8, даалгавар 5-ыг үзнэ үү). Гиббсийн энергийн даралт ба температураас хамаарлыг шинжлэх замаар хайлах температур ба нано бөөмсийн радиустай холбоотой тэгшитгэлийг хялбархан гаргаж авах боломжтой - үүнийг Гиббс-Томсоны тэгшитгэл гэж нэрлэдэг:

Хаана Т pl ( r) – нано бөөмийн радиустай нано объектын хайлах температур r, Т pl () – энгийн металлын хайлах температур (бөөн фаз), tv.-zh – шингэн ба хатуу фазын хоорондох гадаргуугийн хурцадмал байдал, Х pl нь хайлуулах тусгай дулаан, ТВ нь хатуу биетийн нягт юм.

Энэхүү тэгшитгэлийг ашиглан нанофазын шинж чанар нь ердийн материалын шинж чанараас ямар хэмжээгээр ялгаатай болохыг тооцоолох боломжтой. Шалгуурын хувьд бид хайлах температурын зөрүүг 1% (алтны хувьд энэ нь ойролцоогоор 14 ° C) авдаг. "Химийн товч лавлах ном" -д (зохиогчид: В.А. Рабинович, З.Я. Хавин) бид алтны хувьд: Х pl = 12.55 кЖ / моль = 63.71 Ж / г, ТВ = 19.3 г / см3. Шинжлэх ухааны уран зохиолд гадаргуугийн хурцадмал байдлын утгыг sol = 0.55 Н/м = 5.5-10-5 Ж/см 2 гэж өгсөн. Эдгээр өгөгдлөөр тэгш бус байдлыг шийдье.

Энэ тооцоо нь нэлээд бүдүүлэг боловч нано бөөмсийн хамгийн их хэмжээний тухай ярихад ихэвчлэн хэрэглэгддэг 100 нм-ийн утгатай сайн хамааралтай байдаг. Мэдээжийн хэрэг, энд бид хайлуулах дулааны температур, гадаргуугийн хурцадмал байдал нь бөөмийн хэмжээнээс хамааралтай болохыг анхаарч үзээгүй бөгөөд сүүлийн нөлөө нь нэлээд ач холбогдолтой байж болох нь шинжлэх ухааны судалгааны үр дүнгээс харагдаж байна.

Тооцоолол, чанарын тайлбар бүхий хэмжээсийн нөлөөний бусад олон жишээг 7, 8-р лекцүүдэд өгөх болно.

Нанообъектуудын ангилал

Нанообъектуудыг ангилах олон янзын арга байдаг. Тэдгээрийн хамгийн энгийнээр бол бүх нанообъектуудыг хатуу (гадаад) ба сүвэрхэг (дотоод) гэсэн хоёр том ангилалд хуваадаг (диаграмм).

Схем

Нанообъектуудын ангилал
(Проф. Б.В. Романовскийн лекцээс)

Хатуу объектуудыг хэмжээгээр нь ангилдаг: 1) хэмжээст гурван хэмжээст (3D) бүтэц, тэдгээрийг нанокластер ( бөөгнөрөл– хуримтлал, багц); 2) хавтгай хоёр хэмжээст (2D) объектууд - нано хальс; 3) шугаман нэг хэмжээст (1D) бүтэц – нанофиламент буюу нано утас (нано утас);

4) тэг хэмжээст (0D) объектууд - нанодотууд эсвэл квант цэгүүд. Сүвэрхэг бүтцэд нано хоолой (лекц 4-ийг үзнэ үү) болон нано сүвэрхэг материал, жишээлбэл аморф силикат (лекц No8, даалгавар 2-ыг үзнэ үү).

Мэдээжийн хэрэг, энэ ангилал нь бусадтай адил бүрэн гүйцэд биш юм. Энэ нь нано бөөмсийн нэг чухал анги болох молекулын дээд химийн аргаар олж авсан молекулын агрегатуудыг хамардаггүй. Бид дараагийн лекцээр үүнийг авч үзэх болно. Хамгийн идэвхтэй судлагдсан бүтэцүүдийн зарим ньнанокластерууд

– металлын атом эсвэл харьцангуй энгийн молекулуудаас тогтдог. Кластерын шинж чанар нь хэмжээнээс (хэмжээний нөлөө) ихээхэн хамаардаг тул тэдгээрийн ангиллыг хэмжээ (хүснэгт) -ээр нь боловсруулсан болно.

Хүснэгт
Металл нанокластеруудыг хэмжээгээр нь ангилах

бөөмс nНаноккластеруудын хэлбэр нь тэдгээрийн хэмжээ, ялангуяа цөөн тооны атомуудаас ихээхэн хамаардаг болохыг тогтоожээ. Туршилтын судалгааны үр дүнг онолын тооцоотой хослуулан үзэхэд 13 ба 14 атом агуулсан алтны нанокагластерууд нь хавтгай бүтэцтэй, 16 атомтай бол гурван хэмжээст бүтэцтэй, 20 атомтай бол нүүр- энгийн алтны бүтцийг санагдуулам төвтэй куб эс. nАтомын тоо цаашид нэмэгдэх тусам энэ бүтцийг хадгалах ёстой юм шиг санагдаж байна. Гэсэн хэдий ч тийм биш юм. Хийн фазын 24 алтны атомаас бүрдэх бөөмс нь ер бусын сунасан хэлбэртэй байдаг (Зураг 6). Химийн аргуудыг ашиглан бусад молекулуудыг гадаргуугаас кластеруудад хавсаргах боломжтой бөгөөд тэдгээрийг илүү төвөгтэй бүтэц болгон зохион байгуулах чадвартай. Алтны нано хэсгүүд нь полистиролын молекулуудын хэсгүүдтэй холбогддог болохыг тогтоожээ [–CH 2 –CH(C 6 H 5)–]

Байгалийн полимерууд - желатин эсвэл агар-агар нь алтны нано хэсгүүдийг уусмал болгон шилжүүлэх бодис болгон ашигладаг.

Тэдгээрийг хлораурын хүчил эсвэл түүний давс, дараа нь бууруулагч бодисоор боловсруулснаар коллоид алтны тоосонцор агуулсан тод улаан уусмал үүсэх замаар усанд уусдаг нано нунтаг гаргаж авдаг. (Металл нанокластерын бүтэц, шинж чанарын талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг 7-р лекц, 1, 4-р даалгавараас үзнэ үү.)

Сонирхолтой нь, нанокластер нь энгийн усанд ч байдаг. Эдгээр нь бие биетэйгээ устөрөгчийн холбоогоор холбогдсон усны бие даасан молекулуудын бөөгнөрөл юм.

Өрөөний температур ба атмосферийн даралт дахь ханасан усны ууранд 10 сая нэг усны молекул тутамд 10,000 димер (H 2 O) 2, 10 циклик тример (H 2 O) 3, нэг тетрамер (H 2 O) 4 байдаг гэж тооцоолсон. . Шингэн усанд хэдэн арван, бүр хэдэн зуун усны молекулуудаас бүрдсэн илүү өндөр молекул жинтэй бөөмс олдсон.). Хүч чадлын хувьд тэдгээр нь нүүрстөрөгчөөс хамаагүй доогуур боловч илүү том диаметртэй тул харьцангуй том молекулуудыг багтаах боломжтой. Алт нано хоолой авахын тулд халаах шаардлагагүй - бүх үйлдлийг өрөөний температурт гүйцэтгэдэг. 14 нм ширхэгийн хэмжээтэй коллоид алтны уусмалыг сүвэрхэг хөнгөн цагаан ислээр дүүргэсэн баганаар дамжуулдаг. Энэ тохиолдолд алтны бөөгнөрөл нь хөнгөн цагаан ислийн бүтцэд агуулагдах нүхэнд гацаж, бие биетэйгээ нийлж нано гуурс үүсгэдэг. Үүссэн нано гуурсыг хөнгөн цагаан ислээс чөлөөлөхийн тулд нунтагыг хүчилээр эмчилдэг - хөнгөн цагаан исэл уусч, алтны нано хоолой нь савны ёроолд суурьшиж, микрофотограф дээрх замагтай төстэй.

Нэг хэмжээст нанообъектуудын жишээ бол нано утаснууд, эсвэл нано утас– энэ нь 10 нм-ээс бага хөндлөн огтлолтой өргөтгөсөн нано бүтцэд өгсөн нэр юм. Энэ хэмжээний дарааллаар объект нь тусгай, квант шинж чанарыг харуулж эхэлдэг. 10 см урт, 3,6 нм диаметртэй зэс нано утсыг ижил утастай, гэхдээ 0,5 мм диаметртэй харьцуулж үзье. Энгийн утасны хэмжээ нь атомуудын хоорондох зайнаас хэд дахин их байдаг тул электронууд бүх чиглэлд чөлөөтэй хөдөлдөг. Нано утсанд электронууд зөвхөн нэг чиглэлд чөлөөтэй хөдөлдөг - утасны дагуу, гэхдээ түүгээр биш, учир нь түүний диаметр нь атомуудын хоорондох зайнаас хэдхэн дахин их юм. Физикчид нано утсанд электронууд хөндлөн чиглэлд, харин уртааш чиглэлд орон зайгүй байдаг гэж үздэг.

Металл (никель, алт, зэс) ба хагас дамжуулагч (цахиур), диэлектрик (цахиурын исэл) нано утаснууд мэдэгдэж байна. Тусгай нөхцөлд цахиурын уурыг хүчилтөрөгчтэй аажмаар харилцан үйлчилснээр интоорыг санагдуулам бөмбөрцөг хэлбэрийн цахиурын формацууд мөчир шиг унжсан цахиурын ислийн нано утас авах боломжтой. Ийм "жимсгэний" хэмжээ нь ердөө 20 микрон (мкм) юм. Молекулын нано утаснууд бие биенээсээ бага зэрэг зайтай байдаг ба үүний нэг жишээ бол удамшлын мэдээллийг хадгалагч ДНХ молекул юм. Цөөн тооны органик бус молекул нано утаснууд нь молибдений сульфид эсвэл селенид юм. Эдгээр нэгдлүүдийн аль нэгний бүтцийн хэсгийг Зураг дээр үзүүлэв. 8. Боломжтой учраас г-молибдений атом дахь электронууд ба хэсэгчлэн дүүрсэн давхцал г-орбиталууд, энэ бодис нь цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг.

Нано утасны судалгаа лабораторийн түвшинд үргэлжилж байна. Гэсэн хэдий ч шинэ үеийн компьютерийг бүтээхэд тэд эрэлт хэрэгцээтэй байх нь аль хэдийн тодорхой болсон. Хагас дамжуулагч нано утаснууд нь ердийн хагас дамжуулагчийн нэгэн адил допинг хийх боломжтой**Р n- эсвэл -төрөл.–Нано утсыг аль хэдийн бий болгоход ашигласанх

n-

ер бусын жижиг хэмжээтэй шилжилтүүд. Ийнхүү наноэлектроникийн хөгжлийн үндэс аажмаар бий болдог. Нано шилэн материалын өндөр бат бөх чанар нь янз бүрийн материалыг, түүний дотор полимерийг бэхжүүлж, тэдгээрийн хатуу байдлыг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог. Лити-ион батерейны уламжлалт нүүрстөрөгчийн анодыг цахиурын нанофиламентаар бүрсэн ган анодоор сольсноор энэ гүйдлийн эх үүсвэрийн хүчин чадлыг тодорхой хэмжээгээр нэмэгдүүлэх боломжтой болсон.Хоёр хэмжээст нанообъектуудын жишээ

нано хальс .Маш бага зузаантай (зөвхөн нэг юмуу хоёр молекул) учраас тэд гэрэл дамжуулдаг бөгөөд нүдэнд үл үзэгдэх юм. Полистирол болон бусад полимерээр хийсэн полимер нано бүрээс нь өдөр тутмын амьдралд хэрэглэгддэг олон объектыг найдвартай хамгаалдаг - компьютерийн дэлгэц, гар утасны цонх, нүдний шил.

Эрдэмтдийн нэгэнт бий болгосон нано бүтцийн ертөнц маш баялаг бөгөөд олон талт юм. Эндээс та манай ердийн ертөнцийн бараг бүх макро объектуудын аналогийг олох боломжтой.

Энэ нь өөрийн гэсэн ургамал, амьтан, өөрийн гэсэн сарны ландшафт, лабиринт, эмх замбараагүй байдал, дэг журамтай. Нано бүтцийн янз бүрийн зургийн том цуглуулгыг www.nanometer.ru вэбсайтаас авах боломжтой. Энэ бүхэн практик хэрэглээтэй юу?

Мэдээж үгүй. Нано шинжлэх ухаан маш залуу хэвээр байна - энэ нь дөнгөж 20 жилийн настай! Мөн ямар ч залуу организмын нэгэн адил энэ нь маш хурдан хөгжиж, ашиг тустай болж эхэлж байна. Өнөөг хүртэл нано шинжлэх ухааны ололт амжилтын өчүүхэн хэсгийг л нанотехнологийн түвшинд хүргэсэн ч хэрэгжилтийн хувь хэмжээ байнга өссөөр байгаа бөгөөд хэдэн арван жилийн дараа бидний хойч үе нанотехнологигүйгээр бид яаж оршин тогтнох билээ гэж эргэлзэх болно!

2. Асуултууд

3. 1. Нано шинжлэх ухаан гэж юу вэ? Нанотехнологи?

4. "Бодис бүр нано түвшинтэй" гэсэн хэллэгийг тайлбарла.

Нанохимийн шинжлэх ухаанд ямар байр суурь эзэлдэгийг тодорхойл.. 5,9 10 28 ; 59.

5. Лекцийн текстэд өгсөн мэдээллийг ашиглан 1 м 3 ба 1 нм 3 дахь алтны атомын тоог тооцоол. ХариултНано шинжлэх ухааныг үндэслэгчдийн нэг, Америкийн физикч Р.Фейнман 1959 онд бие даасан атомуудыг механикаар удирдах онолын боломжийн талаар ярихдаа "Тэнд маш их зай бий" гэсэн хэллэгийг хэлж байжээ.

6. (“Доор талд маш их зай бий”)

7. . Эрдэмтний хэлсэн үгийг та хэрхэн ойлгож байна вэ?

8. Нано бөөмсийг үйлдвэрлэх физик болон химийн аргуудын хооронд ямар ялгаа байдаг вэ?

9. “Нано бөөм”, “бөөгнөрөл”, “нано хоолой”, “нано утас”, “нано хальс”, “нано нунтаг”, “квант цэг” гэсэн нэр томъёоны утгыг тайлбарла.

10. "Хэмжээний нөлөө" гэсэн ойлголтын утгыг тайлбарла. Энэ нь ямар шинж чанараар илэрдэг вэ?

11. Зэсийн нано нунтаг нь зэс утаснаас ялгаатай нь гидроиод хүчилд хурдан уусдаг. Үүнийг хэрхэн тайлбарлах вэ?

Нанохимийн шинжлэх ухаанд ямар байр суурь эзэлдэгийг тодорхойл.. 1000.

12. Нано бөөмс агуулсан алтны коллоид уусмалын өнгө яагаад энгийн металлын өнгөнөөс ялгаатай байдаг вэ?

13. Бөмбөрцөг хэлбэртэй алтан нано бөөм нь 1.5 нм радиустай, алтны атомын радиус 0.15 нм.

14. Нано бөөмд хэдэн алтны атом агуулагдаж байгааг тооцоол.

15. Au 55 бөөмс ямар кластерт хамаарах вэ?

Стиролыг агаар мандлын хүчилтөрөгчөөр исэлдүүлэх явцад бензальдегидээс гадна өөр ямар бүтээгдэхүүн үүсч болох вэ?

Мөс хайлж гаргаж авсан ус, уурын конденсацаар үүссэн ус хоёрын ижил төстэй ба ялгаа нь юу вэ? 3-р хэмжээст нано-объектуудын жишээг өг; 2; 1; 0.Уран зохиол Ратнер М., Ратнер Д.Нанотехнологи. Өөр нэг гайхалтай санааны энгийн тайлбар. М.: Уильямс, 2007; Рыбалкина М.Хүн бүрт зориулсан нано технологи. М., 2005; Меншутина Н.В.. Нанотехнологийн танилцуулга. Калуга: Шинжлэх ухааны уран зохиолын хэвлэлийн газар Бочкарева Н.Ф., 2006; Лалаянц I.E.Нанохими. Хими (Pervoe 9-р сарын хэвлэлийн газар), 2002, No 46, х. 1; Раков Е.Г.Хими ба нанотехнологи: хоёр үзэл бодол. Хими (Pervoe 9-р сарын хэвлэлийн газар), 2004, No36, х. 29.

Интернет нөөц

www.nanometer.ru – нано технологид зориулагдсан мэдээллийн сайт;

www.nauka.name - алдартай шинжлэх ухааны портал;

www.nanojournal.ru – Оросын цахим “Наножурнал”.

* Оросын төрийн корпорац Руснанотех албан ёсоор баталсан.

** Допинг гэдэг нь материалын электрон бүтцийг өөрчилдөг бага хэмжээний хольцыг нэвтрүүлэх явдал юм. – Анхаарна уу ed.