Nanomalzemeler ve nanoteknolojiler alanındaki terminoloji şu anda yeni oluşturulmaktadır. Nanomateryallerin ne olduğunun nasıl tanımlanacağına dair çeşitli yaklaşımlar vardır.

En basit ve en yaygın yaklaşım bu tür malzemelerin yapısının geometrik boyutlarıyla ilgilidir. Bu yaklaşıma göre, yukarıda da belirtildiği gibi, karakteristik mikroyapı boyutu 1 ila 100 nm arasında olan malzemelere nanoyapılı (veya nanofaz, nanokristalin, supramoleküler) adı verilir.

Bu boyut aralığının seçimi tesadüfi değildir: alt sınırın nanokristalin malzemenin simetrisinin alt sınırıyla ilişkili olduğu düşünülmektedir. Gerçek şu ki, katı bir simetri elemanları seti ile karakterize edilen bir kristalin boyutu azaldıkça, bazı simetri elemanlarının kaybolacağı bir an gelir. En yaygın kristallere ilişkin verilere göre, böyle bir kritik boyut, demir durumunda yaklaşık 0,5 nm ve nikel için yaklaşık 0,6 nm olan üç koordinasyon küresine eşittir. Üst sınırın değeri, tane boyutu tam olarak 100'ün altına düştüğünde, malzemelerin fiziksel ve mekanik özelliklerinde (mukavemet, sertlik, zorlayıcı kuvvet vb.) teknik açıdan fark edilebilir ve ilginç değişikliklerin başlaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. nm.

Nano boyutlu parçacıklardan oluşan dağınık bir malzemeyi düşünürsek, bu tür nesnelerin alt boyut sınırı, boyutu yaklaşık bir nanometre veya daha küçük olan parçacıkların özelliklerindeki değişiklikler dikkate alınarak haklı çıkarılabilir. Parçacıklar Fiziksel malzeme biliminde bu tür parçacıklara denir. kümeler, ve bu tür morfolojik birimlere sahip malzemeler kümelenmiştir. Bir küme, küçük (sayılabilir) ve genellikle değişken sayıda etkileşime giren atomlardan (iyonlar, moleküller) oluşan bir gruptur.

1 nm yarıçaplı bir küme, çoğu kümenin yüzeyinde yer alan yaklaşık 25 atom içerir. Küçük atomik kümelenmeler, bir yanda izole edilmiş atomlar ve moleküller ile diğer yanda katı bir kütle arasında bir ara bağlantıdır. Kümelerin ayırt edici bir özelliği, özelliklerin kümedeki atom sayısına monotonik olmayan bağımlılığıdır. Bir kümedeki minimum atom sayısı ikidir. Kümenin üst sınırı, niceliksel değişikliklerden nitel değişikliklere geçiş zaten sona erdiğinden, kümenin özelliklerini değiştirmeyen başka bir atomun eklenmesini sağlayacak şekilde atom sayısına karşılık gelir. (Şekil 1.2). Kimyasal açıdan bakıldığında çoğu değişiklik atom sayısı 1000-2000'i geçmediğinde sona erer.

Küme boyutunun üst sınırı, küme ile izole edilmiş bir nanoparçacık arasındaki sınır olarak düşünülebilir. İzole edilmiş nanopartiküllerin özelliklerinden toplu kristalli maddelerin özelliklerine geçiş, nanometre boyutunda taneciklere sahip kompakt bir gövde olan hiçbir ara bağlantı olmadığından onlarca yıl boyunca "boş bir nokta" olarak kaldı.

Geometrik özelliklerine göre nanosistemler üç gruba ayrılabilir:

Üç boyutun da nano aralıkta olduğu üç boyutlu (yığın) nanopartiküller; bu parçacıkların yarıçapı çok küçüktür

eğrilik. Bu tür sistemler arasında soller, mikroemülsiyonlar, 1. dereceden faz geçişleri sırasında oluşan tohum parçacıkları (kristaller, damlalar, gaz kabarcıkları, sulu ve susuz ortamlardaki küresel yüzey aktif madde miselleri (doğrudan ve ters miseller);

Yalnızca bir boyutun (kalınlık) nano aralıkta olduğu ve diğer ikisinin (uzunluk ve genişlik) keyfi olarak büyük olabileceği iki boyutlu (ince filmler ve katmanlar) nanopartiküller. Bu sistemler arasında sıvı filmler, arayüzdeki tek ve çok katmanlar (Langmuir-Blodgett filmleri dahil), iki boyutlu plaka benzeri yüzey aktif madde miselleri;

Enine boyutu nano aralıkta olan ve uzunluğu isteğe bağlı olarak büyük olabilen tek boyutlu nanopartiküller. Bunlar ince lifler, çok ince kılcal damarlar ve gözenekler, silindirik yüzey aktif madde miselleri ve bunlara çok benzeyen nanotüplerdir.

Literatürde nanomalzemelerin aşağıdaki sınıflandırması kabul edilmektedir:

OD - izole edilmiş nanopartiküllere sahip küme üstü malzemeler ve nanodispersiyonlar;

1D - nanolifli ve nanotübüler; liflerin veya tüplerin uzunluğu onlarca mikrondan azdır;

2D - nanometrik kalınlıkta filmler;

3D - tüm hacmin nanotanelerle doldurulduğu nanometrik tane boyutuna sahip bir polikristal, tanelerin serbest yüzeyi pratikte yoktur. Üç boyutlu malzemeler, OD-, 1D- ve 20-partiküllerin birbirine sıkı bir şekilde oturduğu ve aralarında arayüzler oluşturduğu tozlar, fiber, çok katmanlı ve polikristalin malzemeleri içerir. Son 20 yılda 3D malzemelerin üretimine özel önem verildi; bunlar sert alaşımların geliştirilmesinde, uçak yapımında, hidrojen enerjisinde ve diğer yüksek teknoloji endüstrilerinde kullanılıyor.

Bu nedenle nanomalzemeler arasında nanopartiküller, nanometrik aralıkta kalınlığa sahip filmler ve boyutları 1 ila 100 nm arasında değişen nanokristaller veya nanogözenekler içeren makroskobik nesneler bulunur.

Pirinç. 1. Farklı boyutlardaki parçacıkların göreceli aktivitesi

Metal nanopartiküller için iki tip boyut efekti arasında ayrım yapmak gelenekseldir. Biri, parçacığın yüzeyindeki, hacmindeki ve kimyasal özelliklerindeki spesifik değişikliklere bağlı olarak içsel veya içseldir. Diğeri, iç etkiyle ilişkili olmayan, dış kuvvetlerin etkisine boyuta bağlı bir tepki olan sözde dışsaldır.

Spesifik boyut etkileri, özelliklerin boyuta düzensiz bağımlılığının baskın olduğu küçük parçacıklarda en belirgindir. Aktivitenin reaksiyona katılan parçacıkların boyutuna bağımlılığı, adsorbe edilen reaktifle etkileşimi sırasında parçacığın özelliklerinde meydana gelen değişikliklere, geometrik yapı ile elektronik kabuğun yapısı arasındaki korelasyona ve simetriye bağlı olabilir. adsorplanan metal molekülünün sınır yörüngeleri.

Küçük parçacıkların termodinamiğine ilişkin deneyler ve teorik çalışmalar, parçacık boyutunun, diğer termodinamik değişkenlerle birlikte sistemin durumunu ve reaktivitesini belirleyen aktif bir değişken olduğunu göstermektedir. Parçacık boyutu bir tür sıcaklık eşdeğeri olarak düşünülebilir ve nano ölçekli parçacıklar için kompakt haldeki maddelerin girmediği reaksiyonlar mümkündür. Ayrıca metal nanokristalin boyutunun değiştirilmesinin metal-ametal geçişini kontrol ettiği de tespit edilmiştir. Bu olay parçacık boyutunun çapı 1-2 nm'den fazla olmadığında meydana gelir. Atomlararası mesafeler parçacıkların aktivitesini de etkiler. Altın parçacıkları örneğini kullanan teorik tahminler, ortalama atomlar arası mesafenin parçacığın nükleerliğiyle birlikte arttığını göstermektedir.

Kural olarak, metal nanopartiküllerin yüksek aktivitesi, bunların çevre ile etkileşime girmeden serbest formda var olmalarının yalnızca vakumda mümkün olmasına yol açar. Farklı boyutlardaki gümüş parçacıkları örneğini kullanarak, bunların vakumda ve düşük sıcaklıklarda argonda yoğunlaşmadan sonraki optik özelliklerinin kimliği belirlendi. Gümüş parçacıkları katı argonda yavaşça biriktirildi. 10 ila 20 gümüş atomu içeren kümelerin spektrumları yapı olarak gaz fazında kütle spektroskopisi ile izole edilen parçacıkların spektrumlarına benzerdi. Bu sonuçlara dayanarak biriktirme işlemlerinin kümelerin şeklini ve geometrisini etkilemediği sonucuna varılmıştır. Böylece gaz fazındaki metal nanopartiküllerin ve inert matrislerin optik özellikleri ve reaktiviteleri karşılaştırılabilir.

Boyut etkileri, bir maddenin parçacığı içindeki atom veya molekül sayısına bağlı olarak kimyasal özelliklerde ve reaktivitede niteliksel bir değişiklikle ifade edilen bir olgudur (Şekil 2).

Pirinç. 2. Metal parçacıklarının göreceli kimyasal aktivitesinin çeşitli faktörlere ve araştırma yöntemlerine bağımlılığı

Ortaya çıkan metal nanopartiküllerin boyutunun kontrol edilmesi ve çoğaltılması zordur; genellikle sentez yöntemiyle belirlenir. Bu zorluklar parçacık boyutunun onun reaktivitesi üzerindeki etkisini analiz etme yeteneğini sınırlar. Son zamanlarda, bu tür reaksiyonlar en aktif olarak deneylerin genellikle sonuçların teorik analizi ile birleştirildiği gaz fazında incelenmiştir.

Atomlardan oluşan metal nanoparçacıkların kimyasal ve fiziksel özelliklerindeki değişiklikler, bunların belirli periyodikliğini ve parçacıktaki atom sayısına, şekline ve organizasyon yöntemine bağımlılığını gösterir.

. Bu bağlamda metal kümelerinin ve nanopartiküllerin elektronik ve geometrik tablolarının oluşturulmasına yönelik girişimlerde bulunulmaktadır.

Sodyum atomları örneğini kullanarak Na3, Na9 ve Na19 parçacıklarının tek değerlikli olduğu ve halojen benzeri Na7 ve Na17 kümelerinin artan aktiviteye sahip olduğu gösterilmiştir. Kapalı elektron kabuğuna sahip parçacıklar Na2, Na8, Na18, Na20 en az aktiviteye sahiptir. Özelliklerdeki değişiklikler elektronik yapı tarafından belirlendiğinde, küçük kümeler için yukarıdaki benzetme, benzer parçacıklarla reaksiyonlarda yeni kimyasal olayların ortaya çıkmasını beklememize olanak tanır.

Birkaç bin atom içeren sodyum kümeleri için parçacık stabilitesindeki periyodiklik olgusu da keşfedildi. Bir parçacıkta 1500'den fazla Na atomu varsa, inert gazlara benzer şekilde kapalı kabuklara geometrik paketleme hakim olur.

Onbinlerce atom içeren parçacıkların boyutlarının, etkinlikleri üzerinde farklı etkilere sahip olabileceği kaydedildi. İlk durumda, her kümenin elektronik yapısı belirleyici öneme sahiptir; ikincisinde ise parçacığın geometrik kabuğunun yapısı belirleyici öneme sahiptir. Gerçek parçacıklarda elektronik ve geometrik yapılar birbirine bağlıdır ve bunların etkilerini ayrı ayrı düşünmek her zaman mümkün değildir.

Kimyasal özelliklerin reaksiyona katılan parçacıkların boyutuna bağımlılığını belirleme sorunu, kristalizasyon süreçlerinde nano ölçekli katı fazların oluşum modellerinin tanımlanmasıyla yakından ilgilidir. Atomlar gaz veya sıvı fazda etkileşime girdiğinde veya bir yüzeye çarptığında ilk önce büyüyüp bir nanokristale dönüşebilen küçük kümeler oluşur. Sıvı fazda bu tür oluşumlara kristalleşme eşlik eder ve katı fazın oluşmasına yol açar. Az sayıda atomdan oluşan metal parçacıklarının nanokimyasında, fazlar arasında net bir sınır yoktur ve oluşumunu başlatan kristalin bir çekirdeğin kendiliğinden ortaya çıkması için belirli bir elementin kaç atomunun gerekli olduğu fikri Nanoyapı yeterince gelişmemiştir.

Bir metal nanoparçacık boyutunun özelliklerine etkisi incelenirken, parçacığın bulunduğu yüzey ve stabilize edici ligandın doğası büyük önem taşır. Sorunu çözmeye yönelik bir yaklaşım, parçacık boyutunun bir fonksiyonu olarak dolu en yüksek moleküler yörüngenin veya en düşük boş moleküler yörüngenin simetri enerjisinin belirlenmesini içerir. Başka bir yaklaşım, optimum reaksiyon koşullarının elde edildiği nanopartikülün morfolojisinin incelenmesine dayanmaktadır.

Metal nanopartiküllerin stabilizasyonunda ve davranışında yüzey reaksiyonları birincil öneme sahiptir. Nanopartiküllerin yüzeyine adsorbe edilen reaktifler için, nanopartiküllerin yüzey boyutu küçük olduğundan ve reaktif partiküllerinin boyutuyla karşılaştırılabilir olduğundan, kimyasal bir reaksiyon, moleküllerin sabit ortalama yoğunluğuna (konsantrasyonu) sahip sonsuz bir hacimde bir işlem olarak değerlendirilemez. . Bu tür sistemlerde bimoleküler bir kimyasal reaksiyonun kinetiği sınırlı hacimdeki kinetiktir ve klasik olandan farklıdır.

Klasik kinetik, reaktanların konsantrasyonundaki dalgalanmaları hesaba katmaz. Az sayıda etkileşimli molekül içeren nanopartiküller, reaktif miktarındaki nispeten büyük dalgalanmalarla karakterize edilir; bu, farklı boyutlardaki nanopartiküllerin yüzeyinde zaman içinde reaktiflerin konsantrasyonundaki değişiklikler arasında bir tutarsızlığa yol açar. Bu nedenle parçacık boyutuna bağlı olarak farklı reaktiviteleri vardır.

Metal nanoparçacıkların çeşitli ligandlar tarafından stabilizasyon işlemlerini anlamak ve bu tür parçacıkların daha sonraki reaktivitesini incelemek için, stabilize edici ligandlarla değişim reaksiyonu büyük önem taşımaktadır. Bu tür değişim işlemlerinin uygulanmasında, ligandların doğasına, stabilize edilmiş metal atomunun boyutuna ve üzerinde yoğunlaşan yüke bağlı olmalarına özellikle dikkat edilir. Parçacık çekirdek boyutunun stabilize edici ligandların elektrokimyasal özellikleri üzerindeki etkisi tespit edilmiştir.

Nanopartikül ile etkileşime giren ligandların doğasını değiştirmek, onun üretimini, stabilizasyonunu ve kimyasal aktivitesini kontrol etmeyi mümkün kılar. Yüzey ligandları bireysel parçacıkları topaklaşmaya karşı korur. Aynı zamanda nanokristal dispersiyonu da sağlayabilirler.

V biyolojik etiketler için özellikle önemli olan çeşitli solventler

V sulu çözeltiler. Fonksiyonel gruplar içeren yüzey ligandları, diğer moleküllerin veya makromoleküllerin nanopartikül ile etkileşimini kolaylaştırabilir ve yeni hibrit malzemeler oluşturabilir. Çoğu durumda, bir veya iki tiyol grubuna sahip tiyollerin veya birkaç ligandın kombinasyonlarının, nanopartiküllerin boyutsal ve fonksiyonel özelliklerini belirlediği bulunmuştur.

İÇİNDE Nanopartiküllerde önemli sayıda atom yüzeyde bulunur ve partikül boyutu küçüldükçe bunların oranı artar. Buna bağlı olarak yüzey atomlarının nanokristalin enerjisine katkısı da artar.

Bir sıvının yüzey enerjisi her zaman ilgili kristalin yüzey enerjisinden daha düşüktür. Nanopartiküllerin boyutunun küçültülmesi,

yüzey enerjisi oranında bir artış ve bunun sonucunda erime noktasında çok önemli olabilecek bir azalma.

Kimyasal dengedeki değişimde boyutsal faktörlerin etkisi de gözlenir. Yüksek derecede dağılmış parçacıkların kullanılması sistemin dengesini önemli ölçüde değiştirebilir. Küçük parçacıkların dinamiği üzerine yapılan teorik çalışmalar ve deneyler, parçacık boyutunun, diğer termodinamik değişkenlerle birlikte sistemin durumunu belirleyen aktif bir termodinamik değişken olduğunu göstermektedir. Boyut sıcaklık görevi görür. Bu durum, dengesi başlangıç ​​ürünlerine doğru kayan reaksiyonlar için kullanılabilir.

Metal atomları, çok sayıda atomla onlardan oluşan dimerler, trimerler, kümeler ve nanopartiküllerde korunan yüksek kimyasal aktiviteye sahiptir. Bu tür parçacıkların incelenmesi çeşitli stabilizatörlerin yardımıyla mümkündür; bu nedenle nanopartiküllerin elde edilmesi ve bunların stabilizasyon süreçleri bir arada ele alınır.

Tüm sentez yöntemleri iki büyük gruba ayrılabilir. Birincisi, nanopartiküllerin elde edilmesini ve çalışılmasını mümkün kılan yöntemleri birleştirir, ancak bu yöntemlere dayalı olarak yeni malzemeler oluşturmak zordur. Buna ultra düşük sıcaklıklarda yoğunlaşma, kimyasal, fotokimyasal ve radyasyon azaltımına yönelik bazı seçenekler ve lazer buharlaştırma da dahildir.

İkinci grup, nanopartiküllere dayalı nanomalzemeler ve nanokompozitler elde etmeyi mümkün kılan yöntemleri içerir. Bunlar öncelikle mekanokimyasal kırma, gaz fazından yoğunlaştırma, plazma-kimyasal yöntemler vb. için çeşitli seçeneklerdir.

İlk yaklaşım esas olarak nano boyutlu parçacıkların üretilmesine yönelik kimyasal yöntemlere (“aşağıdan yukarıya” yaklaşım), ikincisi ise fiziksel yöntemlere (“yukarıdan aşağıya” yaklaşım) özgüdür.

Atomları büyüterek parçacık elde etmek, tekil atomları nanobilimin alt sınırı olarak kabul etmemizi sağlar. Üst sınır, parçacık boyutundaki daha fazla artışın kimyasal özelliklerde niteliksel değişikliklere yol açmadığı ve kompakt bir metalin özelliklerine benzer olduğu kümedeki atom sayısı ile belirlenir. Üst sınırı tanımlayan atom sayısı her element için ayrıdır.

Atomlardan dispersiyon ve yapı yoluyla elde edilen aynı büyüklükteki nanopartiküllerin yapısının farklı olabilmesi temel olarak önemlidir. Kompakt malzemeleri nano boyuta dağıtırken

Kural olarak, ortaya çıkan parçacıklar orijinal numunenin yapısını korur. Atomların yapay olarak toplanmasıyla oluşturulan parçacıklar, elektronik yapılarını etkileyen farklı bir atom düzenlemesine sahip olabilir.

Oksitler, metaller gibi geniş pratik uygulamalara sahiptir. Metal oksitlerin reaktivitesi, metallerin reaktivitesinden biraz daha düşüktür, bu nedenle metal nanoparçacıklarını stabilize etmek için metal oksitlerin oluşum süreci kullanılır.

Metal parçacıklarının ve bunların nanoölçek aralığındaki oksitlerinin boyutu, şekli ve organizasyonu, sistemlerin kimyasal aktivitesi, malzemelerin stabilitesi ve özellikleri ve bunların nanoteknolojide kullanılma olasılığı üzerinde doğrudan etkiye sahiptir.

3.2. Karbon nanotüpleri

Karbon nanotüpleri, bir grafit levhadan kesilmiş, çeşitli konfigürasyonlarda oldukça uzun şeritlerin varsayımsal kıvrımlarıdır. Ortaya çıkan nesne, yüzeyi altı üyeli karbon döngülerinden oluşan uzatılmış silindirik bir yapıdır. Buradaki konfigürasyonla, şeridin grafit levhanın kristalografik eksenlerine göre yönelimini kastediyoruz. Biçimsel bir bakış açısından bakıldığında, bir nanotüpün uçları, kapatma için gerekli 12 beşgen yüzü içeren iki "kapak" ile kapatılırsa fulleren olabilir. Bu durumda nanotüp kapalı olarak adlandırılır. Ancak daha sıklıkla açık nanotüpler dikkate alınır. Nanotüp uzunluğunun çapa oranı genellikle büyüktür, dolayısıyla nanotüpün uçları onun fizikokimyasal özellikleri üzerinde fazla bir etkiye sahip değildir. Sıradan nanotüplere ek olarak, iç içe geçmiş birkaç “silindir”den oluşan çok duvarlı nanotüpler de vardır.

Karbon nanotüplerin iç çapı 0,4 ila birkaç nanometre arasında değişebilir ve iç boşluğun hacmi başka maddeler içerebilir. Tek katmanlı tüpler daha az kusur içerir ve inert bir atmosferde yüksek sıcaklıkta tavlama sonrasında hatasız tüpler elde edilebilir. Borunun yapısının türü (veya konfigürasyonu) onun kimyasal, elektronik ve mekanik özelliklerini etkiler.

Başlangıçta, nanotüpleri sentezlemenin ana yöntemi, bir inert gaz akışında yanan bir elektrik arkında grafitin buharlaştırılmasıydı. Diye devam ediyor

günümüzde hala aktif olarak kullanılmaktadır. Benzer şekilde CeO2 ve nano boyutlu nikel varlığında 0,79 nm çapında tek duvarlı karbon nanotüpler elde edildi. Arkın yerini, ısıtılmış bir fırında bir taramalı lazer ışınıyla bir grafit hedefin buharlaşması aldı. Günümüzde metan, asetilen ve karbon monoksitin katalitik pirolizi giderek yaygınlaşmaktadır. Ni – Cr tel üzerinde metanın yakılmasıyla 20 – 60 nm çapında nanotüpler elde edildi. 30-130 μm uzunluğunda ve 10-200 nm iç çapa sahip çok duvarlı nanotüpler, 800-950 °C sıcaklıkta ferrosenli benzen çözeltisinden hazırlanan bir aerosolün pirolizi ile yüksek verimle sentezlendi. Önerilen yöntem hidrokarbon çözeltilerinin ve katalizörlerin kullanımına dayanmaktadır.

Dolayısıyla şu anda karbon nanotüplerin ve elyafların üretimi için iki ana yön vardır. Birincisi, grafitin buharlaşması ve ardından buhar soğutulduğunda ürünün yoğunlaşmasından oluşur. İkincisi, metal katalizör parçacıkları üzerinde nanokarbon yapılarının oluşmasıyla birlikte karbon içeren gazların termal ayrışmasına dayanmaktadır. Her iki durumda da karbon nanotüpler, kural olarak Fe, Co, Ni katalizörlerinin, bunların ikili karışımlarının, metal kompozitlerin ve intermetalik bileşiklerin varlığında oluşturulur. Nanotüplerin üretimi kontrol edilmesi zor bir süreçtir. Genellikle saflaştırma yoluyla uzaklaştırılması gereken diğer karbon formlarının oluşumu eşlik eder. Ayrıca endüstriyel üretim koşullarında karbon nanotüplerin morfolojik ve yapısal parametrelerinin stabilitesinin sağlanması henüz mümkün olmamıştır.

Karbon nanotüplerin yapısal özellikleri, kimyalarının fullerenler ve grafit kimyasından farklı olduğu anlamına gelir. Fullerenler, diğer elementlerin yalnızca birkaç atomunun sığabileceği küçük bir iç boşluk hacmine sahiptir; karbon nanotüpler daha büyük bir hacme sahiptir. Fulleren moleküler kristaller oluşturabilir, grafit ise katmanlı bir polimer kristalidir. Nanotüpler bir ara durumu temsil eder. Tek katmanlı tüpler moleküllere daha yakın, çok katmanlı tüpler ise karbon fiberlere daha yakın. Bireysel bir tüpü tek boyutlu bir kristal olarak ve iç içe büyümeyi iki boyutlu bir kristal olarak düşünmek gelenekseldir.

Günümüzde karbon nanotüplerin temel fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Yapının türüne ve çapına bağlı olarak metalik veya yarı iletken özelliklere sahiptirler ve

yüksek sıcaklıklarda stabil olan mükemmel yayıcılar, yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir ve nispeten kimyasal olarak inerttir, bu da onları oksidasyon yoluyla diğer karbon parçacıklarından temizlerken kullanılır.

Çok duvarlı karbon nanotüpler büyük bir çapa ve buna bağlı olarak küçük bir spesifik yüzey alanına sahiptir, bu nedenle nispeten küçük organik moleküller için bu nanotüplerin yüzeyi düz olacak ve adsorpsiyon potansiyeli grafitleştirilmiş kurum veya grafitin adsorpsiyon potansiyeline yakın olacaktır. gaz kromatografisi yöntemiyle kurulmuştur.

Tek duvarlı karbon nanotüpler genellikle 1-2 nm çapa ve 50 μm uzunluğa sahip olduğundan, bireysel karbon tüpleri içeren numunelerin geniş bir spesifik yüzey alanına ve dolayısıyla büyük bir adsorpsiyon kapasitesine sahip olması gerekir. Tek duvarlı karbon nanotüplerin adsorpsiyon potansiyeli grafitinkinden daha az, fakat fulleritten daha yüksektir.

Tek duvarlı karbon nanotüpler genellikle kesitte altıgen paketli yığınlar halinde birleştirildiğinden, hidrojen gibi küçük moleküllerin hem açık olmaları durumunda tek duvarlı nanotüplerin içinde hem de tek tek nanotüpler arasındaki gözeneklerde adsorbe edilmesi mümkündür. yığınların oluşumu sırasında oluşan nanotüpler.

Gazların nanotüpler tarafından adsorpsiyonu, dış ve iç yüzeylerin yanı sıra tüpler arası alanda da gerçekleştirilebilir. Bu nedenle, 4.0 ± 0.8 nm genişliğinde mezo gözeneklere sahip çok katmanlı tüpler üzerinde 77 K sıcaklıkta nitrojen adsorpsiyonunun deneysel bir çalışması, adsorpsiyonun tüpün iç ve dış yüzeylerinde gerçekleştiğini gösterdi. Ayrıca dış yüzeyde iç yüzeye göre 5 kat daha fazla adsorbe edilir. Tek duvarlı nanotüplerin iç içe büyümeleri nitrojeni iyi adsorbe eder. Orijinal temizlenmemiş tüplerin iç özgül yüzey alanı 233 m2/g ve dış özgül yüzey alanı 143 m2/g idi. Nanotüplerin hidroklorik ve nitrik asitlerle işlenmesi toplam spesifik yüzey alanını arttırdı ve benzen ve metanol için adsorpsiyon kapasitesini arttırdı.

Tek duvarlı karbon nanotüpler kimyasal olarak inert olmasına rağmen yine de işlevselleştirilebilir veya türetilebilir (Şekil 3).

Tek duvarlı karbon nanotüpler oksidasyonla saflaştırıldığında duvarlarda ve açık uçlarda kusurlar oluşur. Nanotüpler ısıtıldığında açığa çıkan CO ve CO2 miktarına dayanarak kusurlu karbon atomlarının konsantrasyonları tahmin edildi. Bunların sayısı yaklaşık %5'tir. Reaktif gruplara (karboksil, hidroksil) sahip bu karbon atomları daha ileri işlevselleştirme için uygundur.

Pirinç. 3. Tek duvarlı karbon nanotüplerin işlevselleştirilmesi

Tek duvarlı karbon nanotüplerin yüzey aktif maddelerle kovalent olmayan agregatlarının oluşturulması ve bunların polimer molekülleri ile kaplanması (sarılması) da karbon nanotüplerin işlevselleştirilmesi için bir yöntem olarak düşünülebilir. Bu işlevselleştirme, nanotüpleri sulu bir ortamda dodesil sülfatla izole etmek ve saflaştırmak için kullanılır. Biyopolimerlerin (proteinler) nanotüplerle komplekslerinin oluşumu, biyopolimerin hidrofobik kısımlarının sulu çözeltilerde karbon nanotüplerle etkileşimi nedeniyle mümkündür.

Karbon nanotüplerin polivinilpirolidon veya polistiren sülfonat gibi polar gruplar taşıyan polimer moleküllerine sarılması, bu polimerlerin komplekslerinin su içinde tek duvarlı karbon nanotüplerle stabil çözeltilerinin oluşmasına yol açar.

Tek duvarlı karbon nanotüpün içindeki boşluk, molekülleri depolamak için kullanılabilir. Bu nedenle, çeşitli bileşiklerin nanotüplerin boşluğuna sokulması, bunların işlevselleştirilmesinin bir yöntemi olarak düşünülebilir.

Nanopartiküllerin rengi neden boyutlarına bağlı olabilir?

/ 22/05/2008

Nanodünyada maddenin birçok mekanik, termodinamik ve elektriksel özelliği değişmektedir. Optik özellikleri bir istisna değildir. Nanodünyada da değişiyorlar. Normal boyutlarda nesnelerle çevriliyiz ve bir nesnenin renginin yalnızca yapıldığı maddenin veya boyandığı boyanın özelliklerine bağlı olduğu gerçeğine alışkınız.

Ancak diğer taraftan ışık dalgasının da herhangi bir elektromanyetik alan gibi nanonesneler üzerinde etki etmesi gerekiyor. Örneğin, yarı iletken bir nanoparçacık üzerine düşen ışık, elektrik alanıyla değerlik elektronlarından birini atomundan koparabilir. Bu elektron bir süreliğine iletim elektronu haline gelecek ve daha sonra tekrar "yuvaya" dönecek ve "yasak bant"ın genişliğine karşılık gelen bir kuantum ışık yayacaktır - değerlik elektronunun serbest kalması için gereken minimum enerji (bkz. Şekil 1). 1).

Şekil 1. Bir yarı iletkendeki elektronun enerji seviyelerinin ve enerji bantlarının şematik gösterimi. Mavi ışığın etkisi altında, atomdan bir elektron (beyaz daire) ayrılarak iletim bandına doğru hareket eder. Bir süre sonra bu bölgenin en düşük enerji seviyesine iner ve bir miktar kırmızı ışık yayarak değerlik bandına geri döner.

Bu nedenle, nano boyutlu yarı iletkenler bile, daha düşük frekanslı ışık yayarken, üzerlerine düşen ışığı algılamalıdır. Başka bir deyişle, ışıktaki yarı iletken nanopartiküller floresan hale gelebilir ve "bant aralığının" genişliğine karşılık gelen kesin olarak tanımlanmış bir frekansta ışık yayabilir.

Boyutuna göre parlayın!

Yarı iletken nanopartiküllerin floresans özelliği 19. yüzyılın sonlarında bilinmesine rağmen, bu olay ancak geçen yüzyılın sonlarında ayrıntılı olarak açıklanabildi (Bruchez ve ark., Bilim, v. 281: 2013, 1998). Ve en ilginci, bu parçacıkların yaydığı ışığın frekansının, bu parçacıkların boyutu arttıkça azaldığı ortaya çıktı (Şekil 2).

Şekil 2. Çeşitli boyutlarda (2 ila 5 nm, soldan sağa) koloidal CdTe parçacıklarının süspansiyonlarının floresansı. Tüm şişeler yukarıdan aynı dalga boyundaki mavi ışıkla aydınlatılır. H. Weller'den (Hamburg Üniversitesi Fiziksel Kimya Enstitüsü) alınmıştır.

Şekil 2'de gösterildiği gibi. Şekil 2'de nanopartiküllerin süspansiyonunun (süspansiyonunun) rengi çaplarına bağlıdır. Floresan renginin bağımlılığı, yani. nanoparçacık boyutu üzerindeki frekansı, ν "boşluk bandının" ΔE genişliğinin aynı zamanda parçacığın boyutuna da bağlı olduğu anlamına gelir. Şekil 1 ve 2'ye bakıldığında, nanopartiküllerin boyutu arttıkça "yasak bant"ın (ΔE) genişliğinin azalması gerektiği savunulabilir, çünkü ΔE = H V. Bu bağımlılık şu şekilde açıklanabilir.

Etrafta çok sayıda komşu varsa ayrılmak daha kolaydır

Bir değerlik elektronunu uzaklaştırıp iletim bandına aktarmak için gereken minimum enerji, yalnızca atom çekirdeğinin yüküne ve elektronun atomdaki konumuna bağlı değildir. Ne kadar çok atom varsa, bir elektronu koparmak o kadar kolay olur çünkü komşu atomların çekirdekleri de onu kendilerine çeker. Aynı sonuç atomların iyonizasyonu için de geçerlidir (bkz. Şekil 3).

Şekil 3. Kristal kafesteki (ordinat) en yakın komşuların ortalama sayısının, angstrom (apsis) cinsinden bir platin parçacığının çapına bağımlılığı. Frenkel ve ark.'dan uyarlanmıştır. (J. Phys. Chem., B, v. 105:12689, 2001).

İncirde. Şekil 3, bir platin atomunun ortalama en yakın komşu sayısının artan parçacık çapıyla birlikte nasıl değiştiğini göstermektedir. Bir parçacıktaki atom sayısı az olduğunda bunların önemli bir kısmı yüzeyde bulunur, bu da en yakın komşuların ortalama sayısının platin kristal kafesine (11) karşılık gelen sayıdan çok daha az olduğu anlamına gelir. Parçacık boyutu arttıkça, en yakın komşuların ortalama sayısı, belirli bir kristal kafese karşılık gelen sınıra yaklaşır.

Şek. Şekil 3'te, eğer atom küçük bir parçacık halindeyse iyonize etmenin (bir elektronu koparmanın) daha zor olduğu sonucu çıkıyor, çünkü ortalama olarak böyle bir atomun en yakın komşusu azdır. İncirde. Şekil 4, farklı sayıda demir atomu içeren nanopartiküller için iyonizasyon potansiyelinin (eV cinsinden iş fonksiyonu) nasıl değiştiğini göstermektedir. N. Görülüyor ki büyümeyle birlikte N iş fonksiyonu azalır ve normal büyüklükteki numuneler için iş fonksiyonuna karşılık gelen sınırlayıcı bir değere yönelir. Değişiklik olduğu ortaya çıktı A parçacık çapı ile çıktı D aşağıdaki formülle oldukça iyi tanımlanabilir:

A dışarı = Açıkış0 + 2 Z e 2 /D , (1)

Nerede A Output0 - normal boyutlardaki numuneler için çalışma fonksiyonu, Z atom çekirdeğinin yüküdür ve e- elektron yükü.

Şekil 4. İyonizasyon potansiyelinin (eV cinsinden iş fonksiyonu) bir demir nanoparçacıktaki N atom sayısına bağımlılığı. E. Roduner'in bir konferansından alınmıştır (Stuttgart, 2004).

“Boşluk bandının” ΔE genişliğinin, metal parçacıkların iş fonksiyonuyla aynı şekilde yarı iletken parçacığın boyutuna bağlı olduğu açıktır (bkz. formül 1) - parçacık çapının artmasıyla azalır. Bu nedenle, yarı iletken nanopartiküllerin floresans dalga boyu, Şekil 2'de gösterildiği gibi artan partikül çapıyla birlikte artar.

Kuantum noktaları - insan yapımı atomlar

Yarı iletken nanopartiküllere genellikle "kuantum noktaları" adı verilir. Özellikleri nedeniyle nano boyuttaki “yapay atomlar” olan atomlara benzerler. Sonuçta, bir yörüngeden diğerine hareket eden atomlardaki elektronlar da kesin olarak tanımlanmış bir frekansta bir kuantum ışık yayarlar. Ancak iç yapısını ve emisyon spektrumunu değiştiremediğimiz gerçek atomların aksine, kuantum noktalarının parametreleri yaratıcılarına, yani nanoteknoloji uzmanlarına bağlıdır.

Kuantum noktaları, hücrelerin içindeki farklı yapıları görmeye çalışan biyologlar için zaten yararlı bir araç. Gerçek şu ki, farklı hücresel yapılar eşit derecede şeffaftır ve renkli değildir. Dolayısıyla bir hücreye mikroskopla baktığınızda sadece kenarları göremezsiniz. Belirli hücre yapılarını görünür kılmak için belirli hücre içi yapılara yapışabilen kuantum noktaları oluşturuldu (Şekil 5).

Şekil 5. Kuantum noktaları kullanılarak farklı hücre içi yapıların farklı renklerde renklendirilmesi. Kırmızı - çekirdek; yeşil - mikrotübüller; sarı - Golgi aygıtı.

Şekil 2'deki hücreyi renklendirmek için 5 farklı renkte, üç boyutta kuantum noktaları yapıldı. Yeşil renkte parlayan en küçükleri, hücrenin iç iskeletini oluşturan mikrotübüllere yapışabilen moleküllere yapıştırılmıştı. Orta büyüklükteki kuantum noktaları Golgi aygıtının zarlarına ve en büyüğü hücre çekirdeğine yapışabilir. Hücre, tüm bu kuantum noktalarını içeren bir çözeltiye daldırılıp içinde bir süre tutulduğunda, içeriye nüfuz ederek mümkün olan yere yapıştılar. Bundan sonra hücre, kuantum noktaları içermeyen bir çözelti içinde durulandı ve mikroskop altına yerleştirildi. Beklenildiği gibi yukarıda bahsedilen hücresel yapılar çok renkli hale geldi ve açıkça görülebildi (Şekil 5).

Nanopartiküllerin atom yapısı ve şekli

Daha önce de belirtildiği gibi nanopartiküller, yoğunlaştırılmış maddenin özel bir halidir ve yapıları ve dış şekilleri ile karakterize edilir. En meşhur örneği bahsettiğimiz grafenler ve nanotüplerdir. Bu bölümde bir nanopartikülün yapısının ve şeklinin nanopartikülün boyutuna bağlı olarak nasıl değişebileceğini göstereceğiz. içerdiği atomların sayısına bağlıdır.

Karbon ve silikon arasındaki karşılaştırmayla başlayalım. Çalışmada doğrusal karbon kümelerinin (zincirler) ve grafen benzeri bir yapıya sahip (altıgen hücrelerden oluşan) düz kümelerin enerjisinin karşılaştırmalı bir çalışması gerçekleştirildi. Modelleme için yarı ampirik PM3 yöntemi ve yoğunluk fonksiyonel teorisine (DFT) dayalı bir yaklaşım kullanılmıştır.

Pirinç. Şekil 19. Doğrusal bir karbon zincirinin (solda) ve grafen benzeri düz kümenin (sağda) atomik diyagramları.

Karbon sistemleri PM3 yöntemiyle iyi bir şekilde modellenmiştir. Hesaplamalar, hem doğrusal zincirlerde hem de grafen benzeri kümelerde, boyuttan bağımsız olarak denge C-C mesafelerinin 1,3 Å'ye eşit olduğunu göstermektedir. Ancak atom başına bağlanma enerjisi farklıdır. Bağlanma enerjisini aşağıdaki formülü kullanarak hesapladık

,

Nerede e(atom) – serbest bir atomun enerjisi, e(küme, N) – enerji N- atom kümesi. Doğrusal kümeleri hesaplamaya başladık N = 2 ve altıgen s N = 6, çünkü minimal bir altıgen parçacık oluşturmak için tam olarak 6 atoma ihtiyaç vardır.

Pirinç. 20. Karbon parçacıkları için bağlanma enerjisine (mutlak değer olarak) bağımlılık. 1-doğrusal zincirler ( e lin), 2 - grafen benzeri kümeler ( e grafik).

Şek. 20 ne zaman olacağı açıktır N = 6 e lin > e grafik İçin N = 12 e lin< e grafik ve küme boyutlarının daha da artmasıyla ( N > 20) enerjisel olarak daha uygun olan altıgen yapıya sahip kümelere doğru bir eğilim vardır. Bu durumda, grafen benzeri parçacıkların şekli düz olmayı bırakır ve kenardaki karbon atomlarının doyurulma arzusundan kaynaklanan bir fulleren kürenin (veya nanotüpün) eğriliğine benzer şekilde eğrilik kazanır (Şekil 21). doymamış kovalent bağları.

Pirinç. 21. Eğrilikli grafen benzeri bir kümenin bir parçasının görünümü.

Böylece, karbon atomlarının sayısı yirmiden fazla olduğunda hücresel kümeler halinde birleşerek fullerenler (veya nanotüpler) gibi kabuk parçacıkları oluşturma eğilimi gösterirler. Bu kümelerde, her atomun dört komşuya eşit derecede güçlü (dört yüzlü) bağları olan elmastan farklı olarak, her atom üç komşuya bağlıdır. Hesaplamalar, tetrahedral bağlara sahip karbon kümelerinin kararsız olduğunu ve kendilerini yeniden düzenleme eğiliminde olduklarını gösteriyor. Doğada elmas kristallerinin de kararsız olduğu ve grafitin elmasa dönüşmesi için yüksek basınç ve sıcaklıkların gerekli olduğu bilinmektedir.

Çalışma, dış (doymamış) bağları hidrojen atomları ve çeşitli metallerle doyurarak küçük karbon kümelerini elmas tetrahedral yapıyla stabilize etme olanaklarını inceledi.

Öncelikle hidrojenle sonlanan C5 ve C8 kümelerini inceledik: C5H12 ve C8H18. C 5 H 12 kümesinin geometrik parametrelerinin toplu elmas parametrelerine çok yakın olduğu ortaya çıktı: D= 1,55–1,56 Å ve θ = 109,1–110,1°. Geometrideki küçük bozulmalar hidrojen atomlarının birbirleriyle etkileşiminden kaynaklanmaktadır. Beklentilerimizin aksine C 8 H 18 kümesinin geometrisinin daha az mükemmel olduğu ortaya çıktı. Özellikle, C-C iç mesafesi ( D,) 1,62 Å'ye yükselirken, dış mesafeler ( D out) normal değeri olan 1,54 Å'yi korudu. İç açılar ( θ in) ayrıca dış açıları da aşar ( θ dışarı). C 5 H 12 ve C 8 H 18 kümelerinin geometrisine ilişkin ayrıntılı veriler, Me sembolünün Li, K anlamına geldiği C 5 Me 12 ve C 8 Me 18 sistemlerinin geometrik parametreleriyle karşılaştırmalı olarak Tablo 5'te verilmiştir. Cu, Ag veya Au.

Pirinç. 22. İncelenen elmas benzeri nanoslasterlerin şemaları. Beyaz daireler karbon atomlarıdır, siyah daireler ise metal (veya hidrojen) atomlarıdır.

Tablo 5. Geometrik parametreler ( D, D içinde, D dışarı, θ , θ içinde, θ H, Li, K, Cu, Ag veya Au atomları ile sonlandırılan elmas benzeri C5 ve C6 kümeleri için.

Li, K ve Ag atomları tarafından sonlandırılan C5 kümeleri dimerleştirilir. Bu, dıştaki iki karbon atomunun 1,31 ila 1,36 Å uzunluğunda bir dimer oluşturduğu anlamına gelir. Bu dimerizasyon, bağlar arasındaki açılarda önemli bir değişikliğe yol açar. Dimerlerin karşısındaki açılar küçülür (~50°), ancak diğer açılar 118–120°'ye yükselir. Bakır ve altın da C5 kümesinin elmas benzeri yapısını korur. Ancak bakır durumunda geometrik parametreler ( D= 1,51 Å ve ve θ = 109.06°), elmasın parametrelerine altına göre biraz daha yakındır; D= 1,44 Å ve θ = 110,41°.

Lityum ve potasyum ile sonlandırılan C8 kümeleri Tablo 1'de kararsız olarak belirtilmektedir. Bu, başlangıçtaki elmas benzeri yapıların gevşeme süreci sırasında önemli ölçüde yeniden yapılandırıldığı anlamına gelir. Her iki sistemde de C-C dimerleri oluştu, atomlar arası bağlar bozuldu ve büküldü ve ayrıca potasyum durumunda bazı metal atomları karbon kümesinden ayrılarak kendi topaklarını (üçgenler, doğrusal zincirler vb.) oluşturdu. ) Ag ( Au) ile sonlanan C 8 kümeleri fark edilir derecede uzamıştır. İç karbon atomları arasındaki mesafe 2,4 (2,2) Å olup, dıştaki atomlar içtekilerden 1,42 (1,46) Å mesafeyle ayrılır. Buna göre iç açılar θ azaltılır ve dış θ çıkış değeri 109,47°'ye göre artırılmıştır. En iyi durum bakır sonlandırmadır. O verir D= 1,50-1,51 Å ve θ = 109,14-110,04°, yani. pırlantaya karşılık gelen değerlere çok yakın değerler. Bakırla sonlandırmanın hidrojen kullanımına kıyasla daha iyi sonuçlar verdiğini belirtmek gerekir.

Karbon kümelerinin enerji özelliklerini farklı sonlandırmalarla karşılaştırmak da ilginçtir, yani: yapışma enerjilerini karşılaştırmak ( e adh) kenar karbon atomlarının bağlarını doyuran metal (veya hidrojen) atomları için:

Nerede e(sistem) - bir karbon nanokümesi ve onu sonlandıran metal (veya hidrojen) atomlarından oluşan rahat bir sistemin enerjisi; e(karbon) ve e(Me veya H), geometrileri gevşetilmiş sistemden alınan, bir karbon kümesinin ve birbirinden ayrılmış bir grup sonlandırıcı atomun enerjileridir; N(Me veya H) - sonlandırma için kullanılan metal (veya hidrojen) atomlarının sayısı.

Karşılaştırma sonuçları Tablo 6'da gösterilmektedir. Bu verilerin analizi, hidrojen atomlarının elmas benzeri karbon nanokümelerine maksimum yapışmaya sahip olduğunu göstermektedir. Bu kadar yüksek yapışma enerjisi değerlerinin (4-6 eV), düşük sıcaklıklarda elmas benzeri nanokümelerin daha fazla büyümesini engellemesi gerektiği varsayılabilir. Öte yandan, metallerin yapışma enerjisi 1,5 eV'yi geçmez, bu nedenle ek karbon atomları, karbon kümesinin sınırındaki metal atomlarının yerini kolaylıkla alabilir, bu durumda elmas benzeri parçacıkların büyümesi devam edebilir. Hesaplamalarımız, bakır atomlarının, karbon nanokümelerinin elmas benzeri geometrisini hidrojen atomlarından bile daha iyi stabilize ettiğini gösteriyor.

Tablo 6. Çeşitli atom türleri için yapışma enerjisi (eV cinsinden).

Bu sonuçları silikon parçacıklarının simülasyonuyla karşılaştıralım. Çalışmada küçük silikon nanopartikülleri (Si 2'den Si 10'a), bunların yapısı ve enerjisi incelendi. Modelleme için değiştirilmiş Hartree-Fock (HF) yöntemi kullanıldı. Değişiklik (MP4) elektronik korelasyonun dikkate alınmasından oluşuyordu. Her küme için, her biri toplam enerjinin en aza indirilmesiyle optimize edilen birkaç olası geometrik konfigürasyon dikkate alındı. Bunlardan bazıları Şekil 2'de gösterilmektedir. 23.

Pirinç. 23. Küçük silikon kümelerinin şemaları. Mesafeler angstrom olarak verilmiştir.

Tablo 7, MP4 ve HF yöntemleriyle hesaplanan bağlanma enerjilerini deneyle karşılaştırmalı olarak gösterir.

Tablo 7. Deneyle karşılaştırmalı olarak MP4 ve HF yöntemleriyle hesaplanan bağlanma enerjisi değerleri.

Tablo verileri, bir nanoparçacık büyüdükçe içindeki atomların bağlanma enerjisinin, yığın malzemenin bağlanma enerjisine yaklaştığını göstermektedir. Ayrıca klasik Hartree-Fock yönteminin (elektronik korelasyonu hesaba katmadan) bağlanma enerjisini önemli ölçüde eksik tahmin ettiği de açıktır.

Daha sonra benzer çalışmalar DFT yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Yazarlar, boyutu yaklaşık 10 Å olan kümeler arasında vakum boşlukları sağlayan, 30 AU'luk süper hücre boyutuna sahip translasyonel bir yaklaşım kullandılar. Hesaplamalar Kleinman-Bylander formundaki psödopotansiyellerle LDA yaklaşımında gerçekleştirildi. Silikon dalga fonksiyonlarını temsil etmek için 10 Ry kesme enerjisine sahip bir düzlem dalga temeli kullanıldı. Çalışılan küme yapıları Şekil 2'de gösterilmektedir. Şekil 24 ve Tablo 4, atom başına karşılık gelen bağlanma enerjilerini göstermektedir. Şekilden küçük silikon nanopartiküllerinin şekli ve simetrisinin her atom sayısı için benzersiz olduğu görülebilmektedir. Tablo, bu hesaplamanın aynı zamanda atom sayısı arttıkça bağlanma enerjisinin dökme malzemenin değer karakteristiğine (4,63 eV) yaklaştığını da gösterdiğini göstermektedir.

Pirinç. 24. Çalışmada ele alınan silikon kümelerin devreleri.

Bağlanma enerjisinin silikon kümesindeki atom sayısına bağımlılığı Şekil 25'te gösterilmektedir.

Pirinç. 25. Bağlanma enerjisinin silikon kümesindeki atom sayısına bağlılığı.

Şekil 2'deki grafikten. Şekil 25'te bağlanma enerjisinin monoton bir şekilde artmadığı açıktır. Şu tarihte: N= 7 ve 10 yerel maksimumlar gözlenir. Bu tür kümelere (maksimum bağlanma enerjilerine sahip olanlara) "sihirli" denir çünkü bunlar deneylerde en sık meydana gelir.

Daha önce de belirtildiği gibi, ilk prensip modellemesi, çok çeşitli elementlerin atomlarından oluşan heterojen nanosistemlerin yapısını ve özelliklerini yeterince tanımlamamıza olanak tanır. Örneğin çalışmalarda amorf silikon dioksitin nanopartikülleri incelendi.

Silikon dioksit, çeşitli teknik ve kimyasal teknolojilerde kullanılan ana malzemelerden biridir. Amorf silikon dioksitin esas olarak oksijen atomları veya kısa zikzak Si-O-Si zincirleri ile bağlanan Si-O halkalarından oluştuğu bilinmektedir. Çalışma, toplu amorf SiO2'nin altıgen halkalardan oluştuğunu gösterdi. Ancak diğer çalışmalarda ince SiO2 filmlerinde halkaların çoğunlukla 4 köşeye sahip olduğu belirtildi. Nanopartiküllerde durum nedir?

Çeşitli boyutlardaki parçacıklar (192 atoma kadar: 64 Si ve 128 O), yarı ampirik AM1 yöntemi kullanılarak değerlendirildi; bu yöntem, aynı çalışmada, oksijenin silikon üzerinde kimyasal adsorpsiyonunun çalışma problemi üzerinde, aşağıdaki hesaplamalarla karşılaştırmalı olarak test edildi: DFT-LDA'nın çerçevesi. Daha sonra tek, izole halkaların açı sayısıyla denge yapıları hesaplandı. N 2'den 6'ya kadar. Bunlar Şekil 2'de gösterilmektedir. 26.

Pirinç. 26. Halka şeklindeki parçacıklar (SiO 2)n.

Farklı boyutlarda amorf nanopartiküllerin oluşumu şu şekilde gerçekleştirildi. Belirli sayıda Si02 molekülü alınmış ve 5 Å periyodiklikle kübik bir kafesin düğümlerine yerleştirilmiştir. Daha sonra moleküllerin konumları ve yönelim açıları rastgele değiştirilerek denge atom geometrisi elde edilene kadar yapı optimizasyon işlemine geçildi. Elbette bu durumda sıcaklık etkisi olmadığından yalnızca yerel minimum enerjiye ulaşıldı. Moleküllerin başlangıç ​​dağılımlarının nihai sonucu nasıl etkilediğini incelemek için farklı başlangıç ​​dağılımlarıyla çeşitli hesaplamalar yaptık. Bu durumda, iki boyuttaki parçacıklar incelenmiştir: A) 81-atomik (27 molekül Si02) ve B) 192-atomik (64 molekül Si02). Bu tür parçacıkların tipik görüntüleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 27. Her parçacığın farklı boyutlarda halkalar içerdiği ortaya çıktı.

Pirinç. 27. Rastgele konumlanmış SiO2 moleküllerinin birleştirilmesiyle elde edilen silikon dioksit nanopartikülleri.

Tablo 8 istatistikleri göstermektedir N – Çalışılan nanopartiküllerdeki açısal SiO halkaları. Hem 81 atomlu hem de 192 atomlu parçacıklarda 2 açılı halkaların baskın olduğunu görmek kolaydır. Ancak boyut arttıkça yüzük sayısı da artar. N 3, 4, 5,6'ya eşit ve çift halkalar görünüyor N= 7. Yani hacimsel özelliklerin oluşumuna yönelik eğilim oldukça açıktır.

Tablo 8. İstatistikler N – Çalışılan nanopartiküllerdeki açısal SiO halkaları.

Bağ enerjilerinin nasıl davrandığını görmek de ilginçtir. e b ve bir dielektrik için bant aralığı gibi önemli bir miktar. Ancak nanopartiküller için “bant aralığı” kavramının kelimenin tam anlamıyla kabul edilemez olduğu açıklığa kavuşturulmalıdır. Nanopartiküllerin elektronik yapısında bant yoktur, yalnızca birbirinden uzak veya yakın olabilen bireysel enerji seviyeleri vardır. Ancak moleküller için olduğu gibi nanopartiküller için de bir “enerji boşluğu” kavramı vardır. eÜstteki dolu durumları alttaki doldurulmamış olanlardan ayıran boşluk, onlar için bir bant boşluğu rolü oynar. Tablo 9 aşağıdaki verileri göstermektedir: e b (molekül başına eV) ve e silika nanopartikülleri için boşluk (eV).

Tablo 9. Enerji açığı değerleri e boşluk (eV) ve bağlanma enerjileri e silikon dioksit nanopartikülleri için b (eV): A – 81 atom, B – 192 atom.

Hesaplamalar, SiO2 nanopartiküllerinin enerji aralığının neredeyse parçacık boyutundan bağımsız olduğunu ve değer olarak yığın silikon dioksitin (8-9 eV) bant aralığına yakın olduğunu göstermektedir. Beklendiği gibi parçacık büyüdükçe bağlanma enerjisi de artar.

nanopartiküller Toplama ve ayrıştırma nanopartiküller. ... .03.2009). Bilgisayarmodelleme nanoyapılar ve nanosistemler. Mikroskobik ve mezoskopik yöntemler modelleme(Monte Carlo...

Kurs müfredatı

(Son çalışma hakkında daha fazla ayrıntı 8 numaralı dersten sonra yayınlanacaktır.)
V.V.EREMIN,

A.A.DROZDOV
DERS No. 1

“Nano” ön ekinin arkasında ne gizli?

Nanobilim ve nanokimya Son yıllarda gazete manşetlerinde ve dergi yazılarında “nano” ön ekiyle başlayan sözcüklere giderek daha fazla rastlıyoruz. Radyo ve televizyondan neredeyse her gün nanoteknolojinin gelişimi ve elde edilen ilk sonuçlar hakkında bilgi alıyoruz. "Nano" kelimesi ne anlama geliyor? Latince kelimeden geliyor Nanus

- “cüce” ve kelimenin tam anlamıyla parçacıkların küçük boyutunu gösterir. Bilim insanları “nano” ön ekine daha kesin bir anlam, yani milyarda bir parça vermişler.

Altın sollerinin kimyasal bileşiklerinden indirgeme yoluyla hazırlanmasının tarihi uzak geçmişe kadar uzanmaktadır. Bunların eskilerin bahsettiği ve altından elde edilen “yaşam iksiri” olmaları muhtemeldir.

16. yüzyılda yaşamış ünlü hekim Paracelsus, “çözünür altının” hazırlanışından ve tıpta kullanımından bahsetmektedir. Kolloidal altınla ilgili bilimsel araştırmalar ancak 19. yüzyılda başladı. İlginçtir ki o dönemde hazırlanan çözümlerin bir kısmı hala korunuyor. 1857 yılında İngiliz fizikçi M. Faraday, çözeltinin parlak renginin süspansiyondaki küçük altın parçacıklarından kaynaklandığını kanıtladı. Şu anda koloidal altın, hidroaurik asitten toluen içindeki sodyum borohidrit ile indirgenerek ve buna bir yüzey aktif madde eklenerek elde edilir, bu da solun stabilitesini arttırır (bkz. Ders No. 7, görev 1). Bireysel atomlardan nanopartiküller elde etmeye yönelik bu yaklaşımın, yani. aşağıdan yukarıya doğru olan boyuta genellikle artan denir (İngilizce - altüst ). Nanopartiküllerin sentezi için kimyasal yöntemlerin karakteristiğidir. Altın külçesini bölmeyle ilgili anlattığımız düşünce deneyinde tam tersi bir yaklaşımı benimsedik: yukarıdan aşağıya (

yukarıdan aşağıya

İnsanlık nanonesneler içeren malzemelerle yüzyıllar önce tanıştı. Orta Çağ'da Suriye'de (başkent Şam ve diğer şehirlerde) güçlü, keskin ve gürültülü bıçaklar ve kılıçlar yapmayı öğrendiler. Ustalar uzun yıllar boyunca Şam çeliğini hazırlamanın sırrını derin bir gizlilik içinde birbirlerine aktardılar.

Özellikleri Şam'a göre daha düşük olmayan silah çeliği diğer ülkelerde de - Hindistan ve Japonya'da - hazırlandı. Bu tür çeliklerin niteliksel ve niceliksel analizi, bilim adamlarının bu malzemelerin benzersiz özelliklerini açıklamasına izin vermedi. Sıradan çelikte olduğu gibi demirle birlikte ağırlıkça yaklaşık %1,5 oranında karbon içerirler. Şam çeliğinin bileşiminde, örneğin bazı cevherlerde demire eşlik eden manganez ve cevherden indirgenmesi sırasında demirin kömürle etkileşimi sonucu oluşan sementit - demir karbür Fe3 C gibi metallerin safsızlıkları da bulundu. Bununla birlikte, Şam'la tamamen aynı niceliksel bileşime sahip çelik hazırlayan bilim adamları, orijinalin doğasında bulunan özellikleri elde edemediler. Bir malzemeyi analiz ederken öncelikle yapısına dikkat etmelisiniz! Bir parça Şam çeliğini hidroklorik asitte çözen Alman bilim adamları, içerdiği karbonun sıradan düz grafit pulları değil, karbon oluşturduğunu keşfettiler.

nanotüpler

Orta Çağ'da bugün nanomalzemeler dediğimiz maddelerin yaratılmasına ampirik olarak yaklaşıldı. Yıllar süren deneylerin çoğu başarısızlıkla sonuçlandı. Zanaatkarlar yaptıkları eylemlerin anlamı hakkında düşünmediler; bu maddelerin ve malzemelerin yapısına dair temel bir anlayışa bile sahip değillerdi. Günümüzde nanomateryallerin yaratılması bilimsel faaliyetin konusu haline gelmiştir. “Nanobilim” terimi zaten bilimsel dilde yerleşmiştir. nanobilim ), nanometre boyutlu parçacıkların çalışma alanını belirtir. Rus dilinin fonetiği açısından bu isim pek başarılı olmadığından, genel olarak kabul edilen bir başkasını da kullanabilirsiniz - “nano ölçekli bilim” (İngilizce -).

nano ölçekli bilim

Nanobilim kimya, fizik, malzeme bilimi ve bilgisayar teknolojisinin kesişiminde gelişir. Birçok uygulaması var. Nanomalzemelerin elektronikte kullanılmasıyla depolama cihazlarının kapasitesinin bin kat artması ve dolayısıyla boyutlarının küçültülmesi bekleniyor. Altın nanopartiküllerinin X-ışını ışınlaması ile birlikte vücuda verilmesinin kanser hücrelerinin büyümesini baskıladığı kanıtlanmıştır. İlginçtir ki, altın nanopartiküllerinin kendilerinin iyileştirici bir etkisi yoktur. Rolleri, X-ışını radyasyonunu absorbe etmeye ve onu tümöre yönlendirmeye indirgenmiştir.

Doktorlar ayrıca kanser teşhisine yönelik biyosensörlerin klinik denemelerinin tamamlanmasını bekliyor. Nanopartiküller halihazırda ilaçları vücut dokularına iletmek ve az çözünen ilaçların emilim etkinliğini arttırmak için kullanılıyor. Gümüş nanopartiküllerin ambalaj filmlerine uygulanması ürünlerin raf ömrünü uzatabilir. Nanopartiküller, yakıtın yanma enerjisini elektriğe dönüştüren cihazlar olan yeni tip güneş panellerinde ve yakıt hücrelerinde kullanılıyor. Gelecekte bunların kullanımı, termik santrallerde ve araçların içten yanmalı motorlarında hidrokarbon yakıtların yanmasını bırakmayı mümkün kılacak ve gezegenimizdeki çevresel durumun bozulmasına en büyük katkıyı yapanlar da onlardır. Bu sayede nanopartiküller çevre dostu malzemeler ve enerji üretme yolları oluşturma amacına hizmet etmektedir. Nanobilimin görevleri, nanonesnelerin (maddeler ve malzemeler) mekanik, elektriksel, manyetik, optik ve kimyasal özelliklerinin incelenmesine indirgenmektedir. Nanobilimin bileşenlerinden biri olarak sentez yöntemlerinin geliştirilmesi ve nanonesnelerin kimyasal özelliklerinin incelenmesiyle ilgilenmektedir. Nano nesneler birçok malzemenin parçası olduğundan malzeme bilimi ile yakından ilgilidir.

Nanokimyanın tıbbi uygulamaları, doğal proteinlerle ilgili maddelerin veya ilaç taşımaya yarayan nanokapsüllerin sentezi de dahil olmak üzere çok önemlidir. Nanobilimdeki başarılar gelişimin temelini oluşturur nanoteknoloji

– nanonesnelerin üretimi ve kullanımına yönelik teknolojik süreçler. Nanoteknolojinin, okul kimya dersinde tartışılan kimyasal üretim örnekleriyle çok az ortak yanı vardır. Bu şaşırtıcı değil - sonuçta nanoteknoloji uzmanlarının 1-100 nm boyutundaki nesneleri manipüle etmeleri gerekiyor, yani. bireysel büyük moleküllerin boyutuna sahip. Nanoteknolojinin kesin bir tanımı vardır*: bu, yapıların, cihazların ve sistemlerin incelenmesinde, tasarımında, üretiminde ve kullanımında kullanılan bir dizi yöntem ve tekniktir; bunları oluşturan nano ölçekli elemanların (1-100 nm) şeklinin, boyutunun, entegrasyonunun ve etkileşiminin hedeflenen kontrolü ve modifikasyonu dahil yeni kimyasal, fiziksel, biyolojik özelliklere sahip nesneler elde etmek.

Bu tanımdaki anahtar nokta, nanoteknolojinin asıl görevinin yeni özelliklere sahip nesneler elde etmek olduğunun vurgulandığı son kısımdır.

Boyut etkisi

Bir maddenin rengi, ısıl ve elektriksel iletkenliği, erime noktası gibi birçok fiziksel özelliğinin parçacık boyutuna bağlı olduğu bilinmektedir. Örneğin 5 nm boyutundaki altın nanopartiküllerinin erime sıcaklığı sıradan altınınkinden 250° daha düşüktür (Şekil 4). Altın nanopartiküllerinin boyutu arttıkça, erime sıcaklığı artar ve geleneksel bir malzemenin (aksi takdirde toplu faz veya makrofaz olarak da adlandırılır) özelliği olan 1337 K değerine ulaşır.

Cam, boyutları görünür ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilecek parçacıklar içeriyorsa renk kazanır; nano boyutludur. Metallerin nanoparçacıklarını veya bunların çeşitli boyutlardaki oksitlerini içeren ortaçağ vitray pencerelerinin parlak renklerini tam olarak açıklayan şey budur. Ve bir malzemenin elektriksel iletkenliği, ortalama serbest yolla, yani bir elektronun atomlarla iki çarpışma arasında kat ettiği mesafeyle belirlenir. Ayrıca nanometre cinsinden ölçülür. Bir metal nanoparçacık boyutunun bu mesafeden daha küçük olduğu ortaya çıkarsa, malzemenin sıradan metalin karakteristik özelliği olmayan özel elektriksel özellikler geliştirmesi beklenmelidir.

Böylece nanonesneler yalnızca küçük boyutlarıyla değil, aynı zamanda malzemenin ayrılmaz bir parçası olarak hareket ettiklerinde sergiledikleri özel özelliklerle de karakterize edilir. Örneğin, "altın yakut" camın veya koloidal bir altın çözeltisinin rengi, tek bir altın nanoparçacıktan değil, onların topluluğundan kaynaklanır; birbirinden belirli bir mesafede bulunan çok sayıda parçacık.

1000'den fazla atom içermeyen bireysel nanopartiküllere denir. nanokümeler. Bu tür parçacıkların özellikleri, çok sayıda atom içeren bir kristalin özelliklerinden önemli ölçüde farklıdır. Bu, yüzeyin özel rolü ile açıklanmaktadır. Gerçekte katılarla ilgili reaksiyonlar kütle halinde değil yüzeyde meydana gelir. Bir örnek çinkonun hidroklorik asit ile etkileşimidir. Yakından bakarsanız çinko yüzeyinde hidrojen kabarcıklarının oluştuğunu, derinliklerde bulunan atomların reaksiyona katılmadığını görebilirsiniz. Yüzeyde bulunan atomların enerjisi daha fazladır çünkü kristal kafeste daha az komşuları var. Parçacık boyutunda kademeli bir azalma, toplam yüzey alanında bir artışa, yüzeydeki atom oranında bir artışa (Şekil 5) ve yüzey enerjisinin rolünde bir artışa yol açar. Özellikle atomların çoğunluğunun yüzeyde bulunduğu nanokümelerde büyüktür. Bu nedenle, örneğin nanoaltının kimyasal olarak geleneksel altından kat kat daha aktif olması şaşırtıcı değildir. Örneğin, TiO2 yüzeyinde biriken 55 atom (çap 1.4 nm) içeren altın nanopartikülleri, stirenin atmosferik oksijenle benzaldehite seçici oksidasyonu için iyi katalizörler görevi görür ( Doğa, 2008):

C 6 H 5 –CH=CH2 + O 2 -> C 6 H 5 –CH=O + H 2 O,

oysa çapı 2 nm'den büyük parçacıklar ve hatta daha da fazlası sıradan altın hiç katalitik aktivite göstermez.

Alüminyum havada stabildir ve alüminyum nanopartikülleri atmosferik oksijen tarafından anında oksitlenerek Al2O3 okside dönüşür.

Çalışmalar, havada 80 nm çapındaki alüminyum nanopartiküllerinin 3 ila 5 nm kalınlığında bir oksit tabakasıyla büyüdüğünü göstermiştir. Başka bir örnek: sıradan gümüşün seyreltik asitlerde (nitrik asit hariç) çözünmediği iyi bilinmektedir. Bununla birlikte, çok küçük gümüş nanopartikülleri (en fazla 5 atom) asetik asit gibi zayıf asitlerde bile hidrojen salınımıyla çözülecektir; bunun için çözeltinin pH = 5 asitliğini oluşturmak yeterlidir (bkz. Ders No. 8). , görev 4). Nanopartiküllerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin boyutlarına bağımlılığına denir.. Bu nanokimyadaki en önemli etkilerden biridir. Zaten klasik bilimin, yani kimyasal termodinamiğin bakış açısından teorik bir açıklama bulmuştur. Dolayısıyla, erime sıcaklığının boyuta bağımlılığı, nanopartiküllerin içindeki atomların, Gibbs enerjilerini değiştiren ek yüzey basıncına maruz kalmasıyla açıklanmaktadır (bkz. ders No. 8, görev 5). Gibbs enerjisinin basınç ve sıcaklığa bağımlılığı analiz edilerek, erime sıcaklığı ve nanopartiküllerin yarıçapı ile ilgili bir denklem kolayca türetilebilir - buna Gibbs-Thomson denklemi denir:

Nerede T lütfen ( R) – nanoparçacık yarıçapına sahip bir nanonesnenin erime sıcaklığı R, T pl () – sıradan metalin erime sıcaklığı (yığın fazı), tv.-zh – sıvı ve katı fazlar arasındaki yüzey gerilimi, H pl özgül füzyon ısısıdır, TV ise katının yoğunluğudur.

Bu denklemi kullanarak, nanofazın özelliklerinin geleneksel bir malzemenin özelliklerinden hangi boyutta farklılaşmaya başladığını tahmin etmek mümkündür. Kriter olarak erime sıcaklığı farkını %1 olarak alıyoruz (altın için bu yaklaşık 14 °C'dir). “Kısa Kimyasal Referans Kitabı”nda (yazarlar: V.A. Rabinovich, Z.Ya. Khavin) altın için şunları buluyoruz: H pl = 12,55 kJ/mol = 63,71 J/g, TV = 19,3 g/cm3. Bilimsel literatürde yüzey gerilimi değeri sol = 0,55 N/m = 5,5–10–5 J/cm2 olarak verilmektedir. Eşitsizliği bu verilerle çözelim:

Bu tahmin, oldukça kaba olmasına rağmen, genellikle nanopartiküllerin maksimum boyutundan bahsederken kullanılan 100 nm değeriyle iyi bir korelasyon gösterir. Elbette burada füzyon ısısının sıcaklığa ve yüzey geriliminin parçacık boyutuna bağımlılığını hesaba katmadık ve ikinci etki, bilimsel araştırma sonuçlarının da gösterdiği gibi oldukça önemli olabilir.

Boyut etkisinin hesaplamalar ve niteliksel açıklamalarla birlikte daha birçok örneği 7 ve 8 numaralı derslerde verilecektir.

Nanonesnelerin sınıflandırılması

Nanonesneleri sınıflandırmanın birçok farklı yolu vardır. Bunların en basitine göre, tüm nanonesneler katı (“dış”) ve gözenekli (“iç”) (diyagram) olmak üzere iki büyük sınıfa ayrılır.

Şema

Nanonesnelerin sınıflandırılması
(Prof. B.V. Romanovsky'nin bir konferansından)

Katı nesneler boyutlarına göre sınıflandırılır: 1) hacimsel üç boyutlu (3D) yapılar, bunlara nanokümeler denir ( küme– birikim, demet); 2) düz iki boyutlu (2D) nesneler – nanofilmler; 3) doğrusal tek boyutlu (1D) yapılar – nanofilamentler veya nanoteller (nanoteller);

4) sıfır boyutlu (0D) nesneler – nano noktalar veya kuantum noktaları. Gözenekli yapılar arasında nanotüpler (bkz. ders 4) ve nano gözenekli malzemeler, örneğin amorf silikatlar (bkz. ders No. 8, görev 2) yer alır.

Elbette bu sınıflandırma da diğerleri gibi kapsamlı değildir. Oldukça önemli bir nanopartikül sınıfını (supramoleküler kimya yöntemleriyle elde edilen moleküler agregatlar) kapsamaz. Bir sonraki derste buna bakacağız. En aktif olarak incelenen yapılardan bazıları şunlardır: nanokümeler

– metal atomlarından veya nispeten basit moleküllerden oluşur. Kümelerin özellikleri büyük ölçüde büyüklüklerine (boyut etkisi) bağlı olduğundan, onlar için boyuta göre (tablo) kendi sınıflandırmaları geliştirilmiştir.

Masa
Metal nanokümelerin boyuta göre sınıflandırılması

parçacık N Nanokümelerin şeklinin, özellikle az sayıda atomla, boyutlarına önemli ölçüde bağlı olduğu ortaya çıktı. Teorik hesaplamalarla birleştirilen deneysel çalışmaların sonuçları, 13 ve 14 atom içeren altın nanokümelerinin düz bir yapıya sahip olduğunu, 16 atom olması durumunda üç boyutlu bir yapıya sahip olduğunu, 20 atom olması durumunda ise bir yüzey oluşturduğunu gösterdi. sıradan altının yapısını andıran ortalanmış kübik hücre. N Görünüşe göre atom sayısının daha da artmasıyla bu yapının korunması gerekiyor. Ancak öyle değil. Gaz fazında 24 altın atomundan oluşan bir parçacık alışılmadık uzun bir şekle sahiptir (Şekil 6). Kimyasal yöntemler kullanılarak yüzeyden kümelere, onları daha karmaşık yapılar halinde organize edebilecek başka moleküller eklemek mümkündür. Altın nanopartiküllerinin polistiren moleküllerinin parçalarına bağlandığı bulunmuştur [–CH2 –CH(C6H5)–]

Altın nanoparçacıklarını çözeltiye aktaran maddeler olarak doğal polimerler (jelatin veya agar-agar) da kullanılır.

Bunların kloroaurik asit veya bunun tuzuyla ve ardından bir indirgeyici maddeyle işlenmesiyle, koloidal altın parçacıkları içeren parlak kırmızı çözeltilerin oluşumuyla suda çözünebilen nanotozlar elde edilir. (Metal nanokümelerin yapısı ve özellikleri hakkında daha fazla bilgi için 7 numaralı ders, görev 1 ve 4'e bakın.)

İlginçtir ki nanokümeler sıradan suda bile mevcuttur. Birbirine hidrojen bağlarıyla bağlanan bireysel su moleküllerinin kümeleridir.

Oda sıcaklığında ve atmosferik basınçta doymuş su buharında, 10 milyon tek su molekülü başına 10.000 dimer (H 2 O) 2, 10 siklik trimer (H 2 O) 3 ve bir tetramer (H 2 O) 4 olduğu tahmin edilmektedir. . Sıvı suda da onlarca, hatta yüzlerce su molekülünden oluşan çok daha yüksek moleküler ağırlığa sahip parçacıklar bulundu.). Mukavemet açısından, karbon olanlardan önemli ölçüde daha düşüktürler, ancak çok daha büyük çapları sayesinde nispeten büyük molekülleri bile içerebilmektedirler. Altın nanotüpleri elde etmek için ısıtmaya gerek yoktur - tüm işlemler oda sıcaklığında gerçekleştirilir. Parçacık boyutu 14 nm olan koloidal bir altın çözeltisi, gözenekli alüminyum oksitle doldurulmuş bir kolondan geçirilir. Bu durumda altın kümeleri alüminyum oksitin yapısında bulunan gözeneklere sıkışıp birbirleriyle birleşerek nanotüpler oluşturur. Elde edilen nanotüpleri alüminyum oksitten arındırmak için toz asitle işlenir - alüminyum oksit çözülür ve altın nanotüpler, mikrofotoğraftaki alglere benzer şekilde kabın dibine yerleşir.

Tek boyutlu nanonesnelerin bir örneği nano iplikler, veya nanoteller– kesiti 10 nm'den küçük olan genişletilmiş nanoyapılara verilen addır. Bu büyüklük sırası ile nesne özel kuantum özellikleri sergilemeye başlar. 10 cm uzunluğunda ve 3,6 nm çapında bir bakır nanotelini aynı tel ile ancak 0,5 mm çapında karşılaştıralım. Sıradan bir telin boyutları atomlar arasındaki mesafenin kat kat üzerinde olduğundan elektronlar her yöne serbestçe hareket eder. Bir nanotelde elektronlar yalnızca tek bir yönde serbestçe hareket edebilirler; tel boyunca, ancak tel boyunca değil, çünkü çapı atomlar arasındaki mesafeden yalnızca birkaç kat daha büyüktür. Fizikçiler, bir nanotelde elektronların enine yönlerde lokalize olduğunu ve uzunlamasına yönlerde delokalize olduğunu söylüyor.

Metallerin (nikel, altın, bakır) ve yarı iletkenlerin (silikon), dielektriklerin (silikon oksit) nanotelleri bilinmektedir. Özel koşullar altında silikon buharını oksijenle yavaşça etkileşime sokarak, kirazları anımsatan küresel silika oluşumlarının dallara asıldığı gibi silikon oksit nanotelleri elde etmek mümkündür. Böyle bir "meyvenin" boyutu sadece 20 mikrondur (μm). Moleküler nanoteller biraz ayrı duruyor; kalıtsal bilginin koruyucusu olan DNA molekülü bunun bir örneğidir. Az sayıda inorganik moleküler nanotel, molibden sülfit veya selenittir. Bu bileşiklerden birinin yapısının bir parçası Şekil 2'de gösterilmektedir. 8. Müsaitlik durumuna bağlı olarak D-molibden atomlarındaki elektronlar ve kısmen dolu olanların örtüşmesi D-orbitaller, bu madde elektrik akımını iletir.

Nanotellerle ilgili araştırmalar laboratuvar düzeyinde halen devam etmektedir. Ancak yeni nesil bilgisayarlar oluşturulurken talep görecekleri zaten açık. Yarı iletken nanoteller, geleneksel yarı iletkenler gibi katkılanabilir** R N- veya -tip. Şimdiden, nanoteller oluşturmak için kullanıldı–P N-

alışılmadık derecede küçük boyutlu geçişler. Nanoelektroniğin gelişiminin temelleri bu şekilde yavaş yavaş oluşturulur.

Nano elyafların yüksek mukavemeti, polimerler de dahil olmak üzere çeşitli malzemelerin sertliklerini arttırmak için bunlarla takviye edilmesini mümkün kılar. Lityum iyon pillerdeki geleneksel karbon anotun, silikon nanofilamentlerle kaplanmış çelik anotla değiştirilmesi, bu akım kaynağının kapasitesinin büyüklük sırasına göre artırılmasını mümkün kıldı. İki boyutlu nanonesnelerin bir örneği nanofilmler

. Çok küçük kalınlıkları (yalnızca bir veya iki molekül) nedeniyle ışığı iletirler ve gözle görülmezler. Polistiren ve diğer polimerlerden yapılan polimer nano kaplamalar, bilgisayar ekranları, cep telefonu pencereleri, gözlük camları gibi günlük yaşamda kullanılan birçok nesneyi güvenilir bir şekilde korur. Boyutu 10-50 nm'ye kadar olan yarı iletkenlerin (örneğin çinko sülfür ZnS veya kadmiyum selenit CdSe) tek nanokristallerine denir.

Bilim adamlarının halihazırda yarattığı nanoyapıların dünyası çok zengin ve çeşitlidir. İçinde sıradan dünyamızın neredeyse tüm makro nesnelerinin analoglarını bulabilirsiniz.

Kendi bitki örtüsü ve faunası, kendi ay manzaraları ve labirentleri, kaosu ve düzeni var. Nanoyapıların çeşitli görüntülerinden oluşan geniş bir koleksiyon www.nanometer.ru web sitesinde mevcuttur. Bütün bunların pratik bir uygulaması var mı?

Tabii ki hayır. Nanobilim hala çok genç; yalnızca 20 yaşında! Ve her genç organizma gibi o da çok hızlı gelişir ve faydalı olmaya yeni başlar. Şimdiye kadar nanobilimdeki başarıların yalnızca küçük bir kısmı nanoteknoloji düzeyine getirildi, ancak uygulama yüzdesi her geçen gün artıyor ve birkaç on yıl içinde torunlarımız şaşkına dönecek - nanoteknoloji olmadan nasıl var olabiliriz!

2. Sorular

3. 1. Nanobilim ne denir? Nanoteknoloji mi?

4. “Her maddenin bir nanoseviyesi vardır” ifadesini yorumlayınız.

Nanokimyanın nanobilimdeki yerini açıklar.. 5,9 10 28 ; 59.

5. Ders metninde verilen bilgileri kullanarak 1 m3 ve 1 nm3'teki altın atomlarının sayısını tahmin ediniz. Cevap Nanobilimin kurucularından biri olan Amerikalı fizikçi R. Feynman, 1959'da tek tek atomları mekanik olarak manipüle etmenin teorik olasılığından bahsederken ünlü olan bir cümle söylemişti: "Aşağıda çok fazla yer var."

6. (“Altta yeterince yer var”)

7. . Bilim insanının açıklamasını nasıl anlıyorsunuz?

8. Nanopartikül üretmek için fiziksel ve kimyasal yöntemler arasındaki fark nedir?

9. Terimlerin anlamlarını açıklayın: “nanoparçacık”, “küme”, “nanotüp”, “nanotel”, “nanofilm”, “nanotoz”, “kuantum nokta”.

10. “Boyut etkisi” kavramının anlamını açıklayınız. Hangi özelliklerde kendini gösterir?

11. Bakır nanotoz, bakır telin aksine hidroiyodik asitte hızla çözünür. Bu nasıl açıklanır?

Nanokimyanın nanobilimdeki yerini açıklar.. 1000.

12. Nanopartiküller içeren altın koloidal çözeltilerin rengi neden sıradan metalin renginden farklı?

13. Küresel bir altın nanopartikülünün yarıçapı 1,5 nm'dir, altın atomunun yarıçapı ise 0,15 nm'dir.

14. Nanoparçacıkta kaç tane altın atomu bulunduğunu tahmin edin.

15. Au 55 parçacığı hangi tür kümeye aittir?

Stirenin atmosferik oksijenle oksidasyonu sırasında benzaldehit dışında başka hangi ürünler oluşabilir?

Buzun eritilmesiyle elde edilen su ile buharın yoğunlaşmasıyla oluşan su arasındaki benzerlikler ve farklılıklar nelerdir? 3. boyuttaki nano nesnelere örnekler verin; 2; 1; 0. Edebiyat Ratner M., Ratner D. Nanoteknoloji. Başka bir parlak fikrin basit bir açıklaması. M.: Williams, 2007; Rybalkina M. Herkes için nanoteknoloji. M., 2005; Menshutina N.V.. Nanoteknolojiye giriş. Kaluga: Bilimsel literatür yayınevi Bochkareva N.F., 2006; Lalayants I.E. Nanokimya. Kimya (Pervoe Eylül Yayınevi), 2002, Sayı: 46, s. 1; Rakov E.G. Kimya ve nanoteknoloji: iki bakış açısı. Kimya (Pervoe Eylül Yayınevi), 2004, Sayı: 36, s. 29.

İnternet kaynakları

www.nanometer.ru – nanoteknolojiye adanmış bilgi sitesi;

www.nauka.name – popüler bilim portalı;

www.nanojournal.ru – Rus elektronik “Nanojournal”.

* Resmi olarak Rus devlet şirketi Rusnanotech tarafından kabul edilmiştir.

** Doping, malzemenin elektronik yapısını değiştiren az miktarda yabancı maddenin eklenmesidir. – Not ed.