WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

М. А. Ахметов

ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ.

ХИМИЯ

Учебное пособие для учащихся 10–11 классов

средних общеобразовательных учреждений

Экземпляр для апробации в школах

«Школьной лиги РОСНАНО»

Санкт-Петербург, 2012

УДК 573

ББК 28.0

С 95

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ахметов М.А.

Введение

Введение в нанотехнологии. Химия. Учебное пособие для учащихся 10–11 классов средних общеобразовательных учреждений. – СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012. – 108 с. (Серия «Наношкола»). Глава 1. Что такое нанотехнологии 1.1 Основные понятия нанотехнологий

1.2 Уникальные химические свойства наноструктур

1.3 Современное состояние и перспективы развития нанотехнологии....... Учебное пособие в доступном изложении познакомит старшеклассников с понятием «нанотехнологии». Прочитав книгу, школьники узнают о значении химии в разГлава 2. Наноструктуры, наноматериалы, наноустройства витии этой новой области человеческого знания, о практическом применении и 2.1. Наноструктуры и их свойства

перспективах развития нанотехнологий, а также о роли нанотехнологий в создаУникальные свойства наноматериалов

нии новых веществ и материалов, уникальных приборов и оборудования. Пособие содержит много иллюстраций, любопытных фактов, а также задания, включенные 2.3 Наноустройства

в текст параграфов, что сделает обучение эффективным.

Глава 3. Методы получения наночастиц 3.1. Инструменты нанотехнологий

3.2. Основные методы получения наноструктур

3.3. Химические методы получения наноструктур

Глава 4. Наноматериалы и перспективы их применения 4.1 Наноматериалы на основе углерода

4.2 Нанопорошки и их применение

Серия «Наношкола»

4.3 Полимерные нанокомпозиты

Пособие подготовлено в рамках проекта «Школьная Лига Роснано»

Глава 5. Применение нанотехнологий в медицине и экологии 5.1 Роль нанотехнологий в диагностике заболеваний

5.2 Нанотехнологии и лечение болезней

© Ульяновский Государственный университет, 5.3 Нанотехнологии и окружающая среда. Опасность наночастиц............ © АНО «Образовательный центр «Участие», © Путра Г.С., дизайн обложки Глава 6. «Нанохимия в задачах»

_ Рекомендации по созданию учебных проектов АНО «Образовательный центр «Участие»

по нанотехнологиям и нанохимии

196196, Санкт-Петербург, ул. Стахановцев, 13а Телефон/факс: (812) 444-38-62 Примерные темы проектных работ

www.fondedu.ru Дополнительная литература для учащихся

Основные интернет-ресурсы

Подписано в печать 16.05. Заказ № Тираж 100 экз.

Ответы на расчётные задачи

Отпечатано в ООО «Издательство «ЛЕМА»

Санкт-Петербург, Средний пр. В.О., 24 Телефон/факс: (812) 401-01- e-mai: [email protected] ных аппаратов. Дома, автомобили, мебель просто копируются. Расходный материал — картриджи с необходимыми атомами». В 1982 году в своём письме к другу Станислав Лем напишет: «Это благоденствие наступит уже через 500 лет». Современные темпы развития нанотехнологий позволяют Введение надеяться, что эра нанотехнологий наступит уже через 50 лет.

«Уважаемые господа! Практически всё, что необходимо современному человеку для жизни и деятельности может быть изготовлено из атомов Законы природы дают много возможностей для прогресса, и молекул, всё от продуктов питания до ядерных электростанций дадут нам и давление мировой конкуренции всегда толкает нас вперёд.

молекулярные нанороботы. Из грязи, оставшейся на коврике, после того как Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое вы вытерли ноги», — так написал нобелевский лауреат Жорес Алфёров в подостижение в истории ожидает нас впереди.

слании от Академии наук Федеральному собранию в 2008 г.

Эрик Дрекслер «Машины создания»

Дорогие ребята, если вы взяли в руки эту книгу, то, вероятно, вам интеЧеловек стремится жить всё лучше и луч- ресно подробнее узнать о том, что такое «нанотехнологии», или, возможно, ше. Для этого нужно, чтобы машины и механиз- в перспективе получить профессию, связанную с нанотехнологиями, разрамы были надёжными, созданные материалы и батывать и внедрять в жизнь материалы, и оборудование, создание которых устройства — безопасными, а методы лечения ещё в относительно недалёком прошлом считалось невозможным. Понятие болезней — эффективными. Чтобы жить лучше, «нанотехнологии», обозначающее технологию изготовления и применения нужно иметь не только глубокие знания, но и конструкций из мельчайших частиц материи, вошло в наш лексикон совсем передовые технологии, позволяющие создать недавно. Мы все чаще слышим по радио или телевидению о необыкносовершенные устройства, машины и механизмы, венных свойствах наноматериалов, которые позволяют улучшить потребифункциональные мобильные телефоны, быстрые тельские свойства привычных вещей, а также получить новые предметы и Маленький гномик – «Один и надёжные компьютеры. Сегодня с появлением Нанометр» готов поработать устройства.

нанотехнологий появилась уверенность, что та- Рассмотрите внимательно рисунок на стр. 6, в котором художник в шутво славу Человека кие машины будут созданы. ливой форме показал, как наночастицы будут помогать человеку, облегчая Слово «нано» происходит от греческого «нанос», что означает карлик его жизнь. Попробуйте понять, в каких областях жизни будут работать наили «гном». Нанометр очень и очень мал. Разделите мысленно 1 м на 1000 ночастицы.



частей, получится 1 миллиметр. Если 1 миллиметр разделить на 1000 частей, Какие задачи, с точки зрения художника, смогут решать наночастицы?

то получится 1 микрометр. При делении 1 микрометра на 1000 частей получится 1 нанометр. Таким образом, нанометр — это 1 миллиардная часть Не огорчайтесь, если вы ещё не всё понимаете. Изучив материал этой метра или 110-9м. Замечательно, что человек научился манипулировать такнижки, вы узнаете, почему наночастицы обладают уникальными свойствакими маленькими частицами вещества.

Нанотехнологии — это методы, с помощью которых люди могут работать с мельчайшими частицами, складывая из них, как их кубиков, различные вещества и материалы с заданными свойствами, нужные человеку устройСтанислав Лем Жорес Иванович Алфёров, ства и механизмы.

даже произведения искусства. Проблемы здоровья не существует: внутри человека работают микроскопические роботы-врачи, исцеляющие на атомарном уровне. Преступности нет: микророботы-полицейские следят за разрухой в умах: они там работают. Нарушить закон теперь не может прийти в голову. Массовое потребление обслуживает новое поколение копировальновые материалы и уникальное оборудование, что такое нанонаука, какова роль химии в нанонауке, каковы перспективы развития этой области человеческого знания.

Мы постарались максимально облегчить поиск ответов на эти вопросы, создав данное учебное пособие. Пособие написано доступным языком, в структуру параграфов включены вопросы, учебные задания и учебные проблемы, позволяющие сделать работу с пособием интересной, развивающей, и максимально полезной.

Желаем вам успехов в освоении курса!

меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать При этом, как полагал Р. Фейнман, копия мельчайшего устройства долж- Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в на немножко отличаться от большого механизма, так как силы гравитации, году. Он назвал этим словом производство изделий размером несколько надействующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы нометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик Дрекслер в своей межмолекулярных взаимодействий будут все больше влиять на работу ме- книге: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии». Центральное место Запишите формулу для расчёта силы гравитационного взаимодействия. Обънанометров.

ясните, почему силы гравитации оказывают меньшее влияние в наномире?

Как вы думаете, сколько копий первоначального механизма должно быть создано, чтобы достичь размеров порядка нескольких атомов? Атомный радиус (половина межъядерного расстояния) углерода составляет ло подобных машин. Эти машины смогут способом поатомной сборки создавать макро вещи и макроустойства. Это позволит сделать вещи на порядок Традиционные способы приводят к получению веществ и материалов, дешевле. Поскольку поатомную сборку будут осуществлять очень маленькие имеющих дефекты кристаллической решётки, и, следовательно, обладающих роботы, их назвали нанороботами. Таким нанороботам нужно будет дать заурядными свойствами. Другое дело вещества, полученные методами натолько необходимое количество атомов различного вида и энергию, а также нотехнологий, в них практически отсутствуют изъяны, значит и свойства этих написать программу для сборки необходимых материалов и устройств. материалов исключительны.

Интересно, что изложенные Р. Фейнманом идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают с сюжетом, описанным в фанбыло оперировать с отдельными атомами, либо молекулами?

тастическом рассказе известного советского писателя Бориса Житкова «МиУчёные считают, что нанотехнологии в XXI веке произведут такую же кроруки», опубликованным в 1931.

В известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент: «Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, котобольше, чем освоение письменности, создание паровой машины или открырый в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увитие электричества.

дать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский Увеличение в 5000000 раз обеспечивают современные электронные На основе наноструктур с применением нанотехнологий создают наноматериалы, которые, как правило, обладают какими-либо уникальными свойствами. В настоящее время технологии изготовления наноматериалов только развиваются. Однако уже достигнуты успехи в изготовлении целого ряда По прогнозам журнала «Scientic America» уже в ближайшее смогут осуществлять необходимые медицинские манипуляции внутри самовремя появятся медицинские устройства размером с почтовую ских и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм, по- 1.2 Уникальные химические свойства лучившая названия наноэлектроники.

Какие функциональные узлы компьютера вам известны? В развитии каких из них применяются и могут быть применены нанотехнологии?

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово Для ответа на данный вопрос следует обратиться к электрохимическоатом», что в переводе с греческого означает «неделимый». му ряду металлов. Те металлы, которые расположены в данном ряду правее 1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал водорода, не вступают в реакцию с обычными кислотами. Соляная кислота работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет с обычным серебром не реагирует. Однако наночастицы серебра реагирупримерно 1 нанометр. ют с соляной кислотой с выделением водорода. Причина такого поведения 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали наночастиц связана с так называемыми поверхностными эффектами. Дело электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать на- состоит в том, что в маленькой частице существенно увеличивается доля атонообъекты. мов, находящихся на поверхности. У этих атомов есть оборванные связи, и 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опу- как следствие, они обладают более высокой энергией и активностью.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретиче- Нанопорошок меди в отличие от обычной меди растворяется в йодоводородские основы нанотехнологии при обработке поверхностей. ной кислоте. Из раствора был выделен йодид меди. Какая формула этой соли?

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный обо- Ответ обоснуйте.

рот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизУчаствуют ли алканы в реакциях присоединения?

мы, размером менее одного микрона.

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы. Алканы ещё называют насыщенными углеводородами. Это связано 1985 год. Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото с тем, что алканы не содержат кратных связей. Следовательно, алканы не и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять имеют валентных возможностей для присоединения каких-либо молекул.

предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на делили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как мо- А вы знаете, что серебро относится к металлам, которые лекулярные цепочки.

Вместе с тем наночастицы магния настолько активны, что могут присоеди- Пропустив синтез-газ через этот комплекс катализаторов, можно пониться к метану. Двухвалентный атом магния внедряется между атомами лучить этиловый спирт.

Каким образом магнию удаётся присоединиться к метану? Изобразите структурную формулу продукта реакции магния с метаном, если известно, что вещеОчень высокой реакционной способностью обладают молекулы оксида ства реагируют в молярном соотношении 1:1.

Химики знают, что для проведения многих химических реакций, не- поверхности, составленной из наночастиц ТiO2, распадаются на отдельные обходимы катализаторы. КАТАЛИЗАТОРЫ — вещества, ускоряющие хи- атомы. В результате на поверхности пластинки из TiO2 происходит полное мическую реакцию, но не расходующиеся при этом. Катализаторы играют окисление практически всех органических веществ. Поэтому наночастицы огромную роль, как в производстве, так и в реакциях, протекающих в живых диоксида титана могут быть использованы для очистки воды, воздуха и разорганизмах. Можно выделить два типа катализаторов: гомогенные и гетеро- личных поверхностей от органических веществ, а также для поглощения ульгенные. При гомогенном катализе как реагирующие вещества, так и катали- трафиолета.

заторы находятся в одной фазе: жидкой или газообразной. Жидкости при Нанокластеры золота, содержащие 55 атомов (диаметр 1,4 нм), нанеэтом должны быть смешивающимися. При гетерогенном катализе катализа- сенные на поверхность TiO2, служат хорошими катализаторами селективнотор и реагенты находятся в различных фазах. Этими фазами могут быть газ го окисления стирола кислородом воздуха до бензальдегида (Nature, 2008):

и жидкость, газ и твёрдое вещество, жидкость и другая не смешивающаяся с C6H5–CH=CH2 + O2 —> C6H5–CH=O + H2O +СО2, Так как наночастицы имеют высокую химическую активность, то многие золото, совсем не проявляют каталитической активности.

из них являются прекрасными катализаторами. Причина такого поведения которые хуже связаны с другими атомами, и поэтому обладают дополнительиз причин каталитического действия ферментов является их нанометровый ной энергией. Хорошими катализаторами являются углеродные нанотрубразмер. Оптимальной температурой для действия большей части ферментов, ки, все атомы которых тоже находятся на поверхности: и на внешней и на внутренней. Чтобы получить ещё более мощный катализатор в углеродные На свежесрезанный клубень картофеля, яблока или сырого мяса добавьте ненанотрубки вводят наночастицы. Эксперимент показал, что такой нанокомсколько капель пероксида водорода. Что наблюдаете? Объясните наблюдаеплекс катализаторов способен запустить реакцию с участием синтез-газа.

Синтез-газ — это смесь оксида углерода (II) и водорода. Этот газ в промышленности получается различными методами в результате взаимодействия Фермент каталаза, участвующий в разложении пероксида водорода до метана с водяным паром, парциальным окислением метана и в результате воды и кислорода, входит в состав клеток как животного, так и растительного Составьте уравнения трёх химических реакций, в результате которых может Создан нанокомплекс для волос и кожи головы. Препарат содержит наночастицы серебра, магния, меди и цинка в нановодной оболочке.

показали, что наночастицы золота ускоряют гидрохлорирование ацетилена резко увеличивается износостойкость режущего инструмента, жаростойприсоединение HCl к ацетилену), разложение озона и сернистого газа. кость, коррозионная стойкость изделия, сделанного из сравнительно дешевого материала.

Ученые научились выращивать однослойные и многослойные углеродСоставьте уравнения следующих химических реакций, протекающих в присутствии нанокатализаторов а) оксида углерода (II) с кислородом; б) хлороводо- ные нанотрубки. Нанотехнологи могут получить как проволоку нанометророда с ацетиленом; в) разложения озона; г) разложения сернистого газа. вого диаметра с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной В настоящее время нанотехнологии применяются для изготовления:

• высокопрочных материалов;

вого поколения;

• магнитомягких и магнитотвердых материалов;

• нанопористых материалов для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, фильтры и сепараторы); Сверните в трубочку лист бумаги и закрепите его скотчем. Попробуйте разоинтегрированных микроэлектромеханических устройств; рвать обычный лист и лист, свёрнутый в трубочку. Как вы думаете, в чем принегорючих нанокомпозитов; чина высокой прочности углеродных трубок?

• электрических аккумуляторов и других преобразователей энергии;

Какая область применения нанотехнологий вам представляется наиболее важ- пределов, то есть границ мельчайших единиц материи и энергии — когда раной? Почему?

ботает один электрон, один квант энергии. Это позволит достигнуть быстродействия порядка одного терагерц ТГц (1012 операций в секунду), а плотНаиболее крупным на сегодняшний день является производство выность записи информации около 103 Тбит/см2, что на много порядков выше, сокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и сплавов.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий микробов, которые на неё попадают.

штаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.

Большие перспективы у нанотехнологий имеются в сфере медицины.

Одним из наиболее интересных достижений ученых в этой области оказалась технология восстановления поврежденной нервной такни с помощью уже упомянутых выше углеродных нанотрубок. Как показали эксперименты, после имплантирования в поврежденные участки мозга специальных матриц из нанотрубок в растворе стволовых клеток уже через восемь недель ученые обнаружили восстановление нервной ткани. Однако при использовании нанотрубок или стволовых клеток порознь аналогичного результата не было.

Наноструктуры также могут помочь в восстановительной терапии после острых сердечных заболеваний. Так, наночастицы, введенные в кровеносчистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных эленые сосуды мышей, помогли восстановить сердечно-сосудистую деятельментов и транспортных средств.

ность после инфаркта миокарда. Принцип метода состоит в том, что самоБлагодаря этим технологиям потребительские и промышленные товасобирающиеся полимерные наночастицы помогают запустить естественные механизмы восстановления сосудов.

На основе наночастиц была разработана технология по уничтожению раковых клеток.

Что такое раковые клетки, и в чём их отличие от обычных клеток? Каковы возразработать методы стабилизации наночастиц: их высокая активность можные причины возникновения раковых клеток?

Для уничтожение раковых клеток во внутреннюю полость дендримера • усовершенствовать технологии получения наночастиц: метод получепомещают наночастицы золота. К внешней поверхности дендримера при- ния приводил к получению однородной совокупности наночастиц с одинакрепляют молекулы, способные распознавать онкоклетки, и способствую- ковыми свойствами;

щие проникновению дендримера внутрь такой клетки. Такую раковую опу- • удешевить производство наноструктур;

холь можно уничтожить, нагрев частицу золота при помощи лазера или ин- • разработать методы применения наночастиц, предотвращающие их фракрасного излучения. Таким образом раковые клетки будут уничтожены, а негативное влияние на здоровье человека и окружающую среду;

Нанонаука и нанотехнологии находятся еще в самом начале своего а возможность знаний массового уничтожения; сила здесь — в способности пути, а потому к радужным перспективам следует относиться с известной к саморазмножению. Думаю, можно без преувеличения сказать, что мы жидолей осторожности. Многие открытия и новые технологии, еще вчера вем накануне дальнейшего совершенствования чрезвычайного зла — зла, имевшие светлое будущее, сегодня находятся под вопросом или вовсе от- чьи возможности простираются далеко за пределы мощи государств-наций брошены и забыты. Футурологи семидесятых писали, что промышленные с их оружием массового уничтожения, наделяя поразительной и жуткой термоядерные реакторы начнут строить в середине 90-х. Обещали «хо- властью индивидуальных экстремистов».

лодный термоядерный синтез», суливший доставить неисчерпаемый ис- Как вы думаете, нужно ли развивать нанотехнологии, если они могут привести точник энергии в каждую квартиру. К сожалению, пока эти прогнозы не к негативным последствиям?

исполнились.

Что такое термоядерный синтез? Какие трудности возникли у технологов при создании устройств для холодного термоядерного синтеза?

Средства массовой информации сообщают о случаях «наномошенничества». Среди них получение крупных финансовых средств под заведомо неосуществимые или мошеннические проекты. Иногда за новейшие наноисследования выдают давно известные открытия и достижения. Маркетинговая приставка нано— заставляет потребителя платить двойную, тройную цену за товар с технологиями двадцатилетней давности. Глобальное внедрение нанотехники в жизнь поставит новые этические проблемы перед человечеством. С помощью невидимых обычным глазом микроустройств можно будет осуществлять тотальный мониторинг частной жизни каждого человека.

Насколько безобидны будут нанороботы и какие страшные виды вооружений будут получены в результате исследований ученых? Все эти вопросы ждут своего ответа.

Билл Джой («Почему мы не нужны будущему») так описал будущее:

«Эти технологии 21-го века — генетика, нанотехнология и робототехника — настолько могущественны, что они могут породить совершенно новые виды катастроф и злоупотреблений. Наиболее опасным является то, что впервые за всю историю эти катастрофы и злоупотребления станут по плечу частным лицам и небольшим группам. Для этого не потребуется ни крупное оборудование, ни редкое сырье; достаточно будет одних лишь знаний. Таким образом, появляется возможность не просто оружия массового уничтожения, В автомобилях ВАЗ используются нанодиоды, а в автомобилях ГАЗ – нанопорошок при покраске кузова.

2.1. Наноструктуры и их свойства Как вы уже знаете, наноструктуры очень разнообразны по строению.

ения.

2) Практически все наноструктуры имеют высокую реакционную способность.

1) НАНОЧАСТИЦЫ, НАНОКРИСТАЛЛЫ И НАНОКЛАСТЕРЫ

При какой температуре расплавится наночастица золота диаметром 2,5 нм?

Рассмотрим ещё один пример размерного эффекта. Наночастицы золота могут быть равномерно распределены в воде, образуя коллоидный раствор — золь. В зависимости от размера частиц, золь золота может иметь оранжевую, пурпурную, красную или даже зеленую окраску.

Зависимость цвета золей золота от размера частиц (him.1september.ru) Рассмотрите внимательно рисунок. Как связана окраска суспензий золота с размером частиц?

История приготовления золей золота уходит корнями в далекое про- Среди подобных структур широкое применение нашли наночастицы шлое. Возможно, именно они представляли собой «эликсир жизни», упоми- серебра, которые имеют феноменальную бактерицидную и антивирусную наемый древними и получаемый из золота. О приготовлении «растворимого активность. Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективзолота» и употреблении его в медицине упоминает известный врач Пара- нее борются с бактериями и вирусами, чем ионы серебра.

цельс, живший в XVI столетии. Научные исследования коллоидного золоНАНОПЛЕНКИ (2D) та начались лишь в XIX в. Интересно, что некоторые из приготовленных в то время растворов сохраняются до сих пор. В 1857 г. английский физик М.Фарадей доказал, что яркая окраска раствора обусловлена мелкими частицами золота, находящимися во взвешенном состоянии.

Наноструктуры могут иметь различную форму, на основании которой может быть проведена её классификация:

Где применяют графит?

4) НАНОТРУБКИ И НАНОШАРИКИ,

Углерод — неметалл, но графен обладает феноменальной прочностью и высочайшей электропроводностью. В чем причина уникальных свойств графена?

3) НАНОВОЛОКНА И НАНОПРОВОЛОКИ ( ОДНОМЕРНЫЕ 1D)

Нанопроволока — это монокристалл, в котором практически отсутству- до нескольких сантиметров.

ют дефекты и микротрещины. Удивительным свойством нанопроволок явля- Наиболее устойчивы наношарики на основе ется неспособность их к пластической деформации, в отличии от обычного углерода. С60, С70, С80 — это фуллерены. Также получекуска металла. Поэтому нанопроволоки не поддаются ковке. ны фуллерены с большим или меньшим числом атоНанопроволока в десятки раз прочнее обычных образцов проволоки. мов углерода. Наиболее известен фуллерен, состояРазмеры обычной проволоки во много раз больше расстояний между ато- щий из 60 атомов углерода. Он по своему строению мами, поэтому электроны свободно перемещаются во всех направлениях. В очень напоминает футбольный мяч.

нанопроволоке электроны способны свободно двигаться лишь в одном направлении — вдоль проволоки, но не поперек, т.к. ее диаметр всего лишь в Из каких геометрических фигур построен футбольный мяч, который является несколько раз превышает расстояние между атомами. Физики говорят, что в аналогом фуллерена C60?

нанопроволоке электроны в поперечных направлениях локализованы, а в продольном — делокализованы.

Нановолокна используют для повышения степени защиты денежных купюр.

5) ЦЕОЛИТЫ ( ПОРИСТЫЕ ОБЪЁМНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ ) присутствии которого дендримеры были образованы. Поэтому дендример Микропористая молекулярная структура цеолита ZSM-5 (www.nanonewsnet.ru) Свойства цеолитов определяются наличием в их структуре множества каналов и полостей, в которых могут размещаться посторонние ионы или нейтральные молекулы. Благодаря этому они давно используются во многих промышленных процессах, однако только в последние два десятилетия Квантовая точка (rnd.cnews.ru) разработаны технологии направленного синтеза цеолитов с заданными наКвантовые точки обладают одним удивительным свойством: они могут нометровыми размерами каналов и полостей. Это открыло путь к созданию целых классов высокоселективных катализаторов для нефтехимической отсм. ниже) заполнены растворами наночастиц разных размеров. Бутылочки, расли промышленности.

6) ДЕНДРИМЕРЫ ДЕНДРИМЕРЫ — нанообъекты размером от одного до 10 нм, образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой. Вну- Видно, что баночки, заполненные растворами наночастиц меньшего три дендримера могут образовываться полости, заполненные веществом, в размера, испускают свет ближе к фиолетовому цвету в спектре видимого света, а большими — к красному. Оказалось, что об этой способности наночастиц светиться по-разному в зависимости от их размеров знали ещё сотни лет назад, изготовляя цветные витражи в католических храмах. Мастера добавляли в жидкое стекло крохотные частички серебра разного размера.

Конечно, средневековые мастера не представляли, что пользуются нанотехнологиями. Цвет витражного стекла зависел от размера наночастиц, что приводило к удивительной цветовой гамме этих витражей.

Разноцветный витраж в католическом храме, религиозный сюжет (Олег Митюхин/Фотобанк Лори) Такие наночастицы, свечение которых зависит от их размера, называют КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ, или ИСКУССТВЕННЫМИ АТОМАМИ. В от- Антибактериальный эффект. В настоящее время создано большое количие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых и спектр мы из- личество наноматериалов на основе наночастиц серебра. Сейчас выпускаменить не в состоянии, параметры квантовых точек зависят от их создателя- ются зубные щётки и зубные пасты с наночастицами серебра, эффективно алов. Мы уже знаем, что некоторые наноматериалы обладают феноменаль- Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства поной прочностью. Как известно, ПРОЧНОСТЬ — это свойство твёрдых тел сле нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, Если добавить в лакокрасочные материалы, покрывающие стены зда- К какому типу оксидов вы отнесли бы оксид цинка? Составьте уравнения химических реакций оксида цинка с четырьмя веществами, относящимися к разний, наночастицы серебра, то на покрашенных такими красками стенах и потолках не сможет жить большинство патогенных микроорганизмов.

Добавка в угольные фильтры для воды наночастиц серебра существен- Способность оставаться чистыми. Известно, но увеличивает срок службы таких фильтров, а качество биологической что листья лотоса остаются чистыми, даже если Наночастицы приносят не только пользу, но могут оказать и вред. Так Востоке лотос является символом чистоты и счимосковские исследователи доказали токсическое действие наночастиц се- тается, что сам Будда родился в цветке лотоса.

ребра, которые поступили в организм испытуемых мышей в виде инъек- Самоочищение поверхности от частиц гряции, тогда как действие ионов серебра в той же концентрации не привело к зи называют поэтому «эффектом лотоса». Свясмертельному исходу. зано это с тем, что листья и цветки практически Какую проблему должны будут решить учёные, прежде чем начнут вводить нас них, практически не оставляя следа и смывают всю грязь. Даже каплям ночастицы в лечебных целях в организм человека?

Способность поглощать электромагнитное излучение. Наночастицы оклотоса невозможно склеить. Выяснилось, что вся поверхность листьев и сида цинка также обладают рядом уникальных свойств (в том числе и бактецветов лотоса покрыта микропупырышками высотой около 10 мкм. А сами рицидных), среди которых особый интерес вызывает способность поглощать широкий спектр электромагнитного излучения, включая ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиочастотное.

Такие частицы могут служить, например, для защиты против УФ-лучей, придавая новые функции пластмассам, краскам, синтетическим волокнам и т.д. Эти частицы также можно использовать для приготовления солнцезащитных кремов, мазей и других препаратов, так как они не раздражают кожу.

Способность наночастиц оксида цинка к рассеянию электромагнитных волн может использоваться в тканях одежды для придания ей свойств невидимости в инфракрасном диапазоне за счет поглощения излучаемого человеческим телом тепла. Это позволяет изготавливать камуфляжи, невидимые в широком диапазоне частот — от радио до ультрафиолета. Такая одежда просто незаменима в военных или антитеррористических операциях, поуменьшает их смачиваемость. На других растениях подобных пупырышков скольку позволяет вплотную подойти к противнику без риска быть замеченобнаружено не было. Нанотехнологии позволяют создавать поверхности, ным приборами ночного видения.

с наночастицами серебра предотвратят появление неприятного запаха.

обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свойствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связывающегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости.

В результате вода не смачивает такую поверхность, и частицы грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой такой нанотравой, либо просто сваливаются с неё, либо смываются скатывающимися каплями воды. Таким образом, нанотрава делает поверхность абсолютно несмачиваемой и поэтому абсолютно чистой. Уже производят самоочищающиеся ветровые стёкла автомобиля. Такие стёкла не нуждаются в «дворниках». Есть в продаже постоянно чистые колёсные диски для автомобилей. Уже сейчас можно покрасить дом снаружи краской, к которой грязь не прилипнет. Разработана специальная жидкость, для покрытия стекол и кузова автомобиля, которая обеспечит их идеальную чистоту в течение года.

бразно использовать покрытия с эффектом лотоса.

Аналогичный эффект можно достичь, используя наночастицы диоксида кремния (SiO2). Эти частицы обладают удивительным свойством: если их накапель раствора олеата натрия (или другого ПАВ, например каплю моющего средства нести на какой-либо материал, то они присоединяются к его молекулам и крытия на основе этих частиц защищают стекла, плитку, дерево, камень и т.д. из динамика), выдержите несколько часов, а затем слейте верхний слой, удерживая Частицы грязи не могут прилипнуть или проникнуть в защищаемую поверх- густую массу магнитом. Полученная масса и представляет собой магнитную жидкость.

ность, а вода легко стекает с нее, унося любые загрязнения. Налейте магнитную жидкость тонким слоем в плоскую чашку и поднесите к ней магнит так, чтобы магнитные линии входили в нее вертикально. Жидкость меняет свою Принцип действия самоочищающихся нанопокрытий (Рыбалкина, 2007) Ткань после нанесения покрытия свободно пропускает воздух, но не пропускает влагу. Можно забыть про трудновыводимые пятна от кофе, жира, молекулы и атомы. Этот процесс называется механохимией. Дезассемблер — это механизм-исследователь, разбирающий любую структуру на атомы и К движущейся нанотрубке можно прикрепить «груз» и тем самым перепередающий ассемблеру информацию об ее истинном строении. мещать грузы в микромире. Движение в данной системе осуществляется за Какие преимущества имеет механохимическая сборка перед обычной химической реакцией?

К числу самых интересных задач нанотехнологии относится создание наномоторов — устройств, способных превращать тепловую, электри- Подумайте, за счет чего может быть достигнута разница температур в таком ческую или световую энергию в движение. Такие двигатели существуют и моторе.

в природе — с их помощью перемещаются некоторые бактерии. К клетке бактерии прикреплен миниатюрный жгутик, колебания которого и приводят микроорганизм в движение.

света в механическую работу. Его действие основано на способности азобензола изомеризоваться под действием света. При УФ-облучении трансизомер превращается в цис-форму, а обратная реакция происходит при нагревании или под действием видимого (синего) света:

Простейший искусственный наномотор работает под действием разности температур. Он представляет собой длинную цилиндрическую нанотрубку, на которую надета более короткая полая нанотрубка. Обе нанотрубки собраны из атомов углерода. Вторая трубка может перемещаться относительно Изомеризация азобензола под действием УФ-света (him.1september.ru) первой под действием разницы температур — от более теплого края первой Какая из форм бензола обладает меньшей энергией, почему?

трубки к более холодному.

При изомеризации одна часть молекулы поворачивается относительно не работают. Происходит это потому, что даже у не работающих батареек другой, при этом совершается механическая работа, которая может быть ис- электроды и электролит всегда соприкасаются между собой. Поэтому попользована в наномоторе. степенно меняется ионный состав электролита и поверхность электродов, Механическое движение можно осуществлять и за счет химической что и вызывает падение энергоёмкости батареек. Чтобы избежать контакта энергии. На этом основана работа каталитического наномотора. Он состоит электролита с электродами при хранении батарейки, их поверхность можно из цилиндрических стержней, содержащих сегменты платины и золота дли- защитить нановолосками, не смачиваемыми водой, имитирующими эффект ной по 1 мкм и диаметром 370 нм. Топливом служит пероксид водорода, ко- лотоса. Показанные на рисунке зелёным нановолоски не дают голубому расторый в присутствии платины разлагается на кислород и воду. Выделяющий- твору коснуться показанных красным пластин электродов.

ся газ создает избыточное давление, которое обеспечивает поступательное движение стержней со скоростью до 20 мкм/с.

Каталитический наномотор (him.1september.ru) В каком направлении происходит движение данного наномотора? Ответ обо- Нановыключатель для батареек (kbogdanov5.narod.ru) напряжение на нановолоски, они становятся смачиваемыми, то есть гидроДля дальнейшего развития мобильных устройств необходимо разрафильными, в результате чего электролит заполняет всё пространство между батывать новые типы аккумуляторов и батареек с увеличенной силой тока и емкостью, позволяющие эксплуатировать устройства в течение более длительного времени, не беспокоясь о разрядке аккумулятора. Чем больше пло- Какое устройство называют диодом, а какое транзистором? На каких принцищадь электродов, в батарейке или аккумуляторе, тем больший ток они могут пах работают эти устройства?

давать. Чтобы увеличить площадь электродов их поверхность покрывают нанотрубками. На фотографии показана щетина из углеродных нанотрубок, Аккумуляторы с такими «волосатыми» электродами устанавливаются на электромобили, которые уже сейчас могут без подзарядки проезжать до скольких лет хранения на складе почти полностью разряжаются, даже если 300 углеродных нанотрубок упаковали параллельно друг другу в плотные пучки, и они работали как силовые транзисторы при напряжении 2,5 В и силе тока 2 мA.

Нанотрубки и наношарики: а) наношарики б) Различные виды нанотрубок в зависимости от типа устройств довольно много. Познакомимся с некоторыми из них.

способа сворачивания графитовой плоскости b) «кресло», c) «зигзаг» d) хиральные Какие наноустройства вам видятся наиболее перспективными, почему?

разглядеть в обычный световой микроскоп. Чтобы получить изображение на- Этот микроскоп как бы ощупывает поверхность, так как это делают нообъектов, можно использовать электронный микроскоп, где вместо свето- слепые люди. Не случайно говорят, что слепые видят кончиками пальцев.

вого луча нанообъект подвергается действию пучка движущихся электронов. Ощупав предмет, невидящий человек составляет представление о поверхУвеличение электронного микроскопа может в сотни раз превышать ности предмета. Однако мелкие детали, менее 1 мм почувствовать пальцами увеличение светового микроскопа. Так, например, в электронном микроско- невозможно, они слишком грубы для этого. Основой зондового микроскопа Размер блохи составляет около 1 мм, а размер волоска в тысячу раз меньше. Разглядеть волоски блохи с помощью светового микроскопа невоззонд опускается и поднимается в зависимости от рельефа поверхности, отможно.

Электронный микроскоп, хотя значительно превосходит световой ми- зазор можно пропускать электрический ток, и по величине этого тока судить кроскоп по увеличительной способности, не в состоянии сделать изображе- о профиле поверхности. Такие сканирующие зондовые микроскопы называние отдельных атомов и молекул. Такое изображение можно получить с по- ют также туннельными. Сканирующий туннельный микроскоп можно испольмощью сканирующего зондового микроскопа: зовать не только для того, чтобы увидеть молекулы и атомы, но и для перемеЛазер Принцип работы сканирующего зондового микроскопа (popnano.ru) Рассмотрите внимательно рисунок. Как вы думаете, почему именно атомы ксенона были выбраны для этого эксперимента? Почему атомы ксенона не выглядят круглыми так, как это принято считать?

Ещё одним инструментом нанотехнологий является оптический или лазерный пинцет. Такой пинцет представляет собой сфокусированный луч лазера.

Схема действия оптического пинцета (www.sciam.ru) ночастицу со всех сторон, предотвращая её дальнейший рост. Изменяя состав и концентрацию стабилизатора, можно получать наночастицы любого размера.

Как следует изменить концентрацию стабилизатора, чтобы уменьшить размер частиц? Ответ обоснуйте.

Практика показывает, что некоторые наноструктуры, кластеры металлов, нанотрубки и наношарики, являются стабильными и в отсутствии стабилизатора. Эти наноструктуры, несмотря на свои нанометровые размеры, превосходно существуют и «поодиночке», отнюдь не конденсируясь с себе катушка подобными.

Объясните стабильность некоторых наноструктур: фуллеренов и нанотрубок. закрепляется между электродами разлетается на наночастицы Дело в том, что наноструктуры могут обладать повышенной стабильно- Конденсационные методы. При конденсационных методах (подход стью, если они содержат определённое число атомов. Такие структуры были «снизу вверх») наночастицы получают путем объединения отдельных атоназваны «магическими», а числа, соответствующие количеству входящих в мов. Метод заключается в том, что в контролируемых условиях происходит Так, для кластеров щелочных металлов магические числа — 8, 20 и 40, структуры, с новыми свойствами, которые можно программировать путем для кластеров благородных металлов — 13, 55, 137 и 255, для углеродных изменения условий формирования структур. Методом «снизу вверх», маникластеров — 60, 70, 90 и т.д. пулируя молекулами и атомами, можно создавать искусственные объекты В «магических» наночастицах атомы крепче связаны между собой, чем в частицах с другим числом атомов. Это придаёт наночастицам с магическим числом атомов необходимую стабильность.

Приведите пример молекул, относящихся к углеводородам и также отличаюВ настоящее время разработано много методов получения углеродных щихся повышенной стабильностью.

Измельчать вещество в наночастицы можно не только механически, но териалов в условиях повышенных температур. Рассмотрим несколько наи- Зачем необходимо заполнение установки инертным газом?

более известных методов.

Самый распространенный метод получения наночастиц на основе углерода — электродуговое распыление графита. В камере, заполненной инертным газом, между графитовыми электродами в результате разницы потенциалов В последнее время метод каталитического разложения углеводородов проскакивает электрический разряд, ионизирующий атомы газа. Катод и стенки для получения углеродных наноструктур развивается особенно интенсивно.

камеры охлаждаются при помощи воды или жидкого азота. При токе дуги по- Он позволяет получать большое количество одинаковых нанотрубок. Это отрядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряже- крывает путь крупномасштабному получению фуллеренов и нанотрубок и нии на электродах 25–35 В, температура образующейся между электродами созданию на их основе промышленного производства разнообразной наплазмы достигает 4000 К. При такой температуре поверхность графитового нопродукции.

анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада температур ато- Графен получают при механическом воздействии на высокоориентимы углерода уносятся из горячей в более холодную область плазмы и конденрованный пиролитический графит. Используя химические методы, графен сируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода. Рассматривая этот осадок в электронный микроскоп, можно увидеть наряду с сажей и графитом щая графит, сажу и фуллерены, осаждается на холодные стенки камеры, а часть, Монокристалл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем образовавшийся пар охлаждают. По мере охлаждения зарождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упорядочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить такую систему самой себе, то постепенно границы между наночастицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрокристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор, пока в системе не воссоздастся В течение всего интервала времени от момента, когда в паре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момента, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм, система находится в наносостоянии.

Затем она переходит в равновесие, появление наночастиц прекращается. И Вещества, используемые для химического осаждения, называют преесли не создать искусственные условия для их консервации, то возникшие курсорами. ПРЕКУРСОР — это (лат.— Предшественник) синтезируемых начастицы могут перейти в стадию компактного вещества. ночастиц. Для осуществления такой реакции прекурсор испаряют при нагревании и вместе с инертным газом направляют к поверхности, на которой Как исследователям удаётся остановить рост наночастиц?

В настоящее время интересы многих исследователей сосредоточены Метод получения наночастиц каталитическим разложением углеводона разработке новых методов получения наночастиц металлов. Атомы ме- родов. Это наиболее практичный и массовый способ получения углеродных таллов обладают высокой химической активностью, которая сохраняется в наноструктур. Он основан на термохимическом осаждении углеродсодержаобразующихся из атомов димерах, тримерах, кластерах и наночастицах с щего газа на поверхности горячего металлического катализатора. Углеродбольшим числом атомов. Исследование подобных активных частиц возмож- содержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена С2H2 или метана CH4 с но при использовании различных стабилизаторов. азотом) пропускается сквозь кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700-1000 °С. В трубке находится керамический тигель с катализатором — металлическим порошком. Разложение углеводорода привоХимические методы получения дит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок Как вы уже знаете, одним из методов получения наночастиц является осаждение их из газовой фазы. С этой целью твёрдое вещество нагревают. При этом оно испаряется, переходя в газообразное состояние. Это газообразное вещество при охлаждении осаждают на одной из поверхностей.

При специально подобранных условиях возможно получение наночастиц.

Такое осаждение может сопровождаться химической реакцией.

Вспомните, чем химические явления отличаются от физических? Что происходит при физическом осаждении, а что при химическом?

При химическом осаждении из газовой фазы состав вещества, осевшего на поверхности (подложке) отличается от состава газа. Различие состава свидетельствует о химической реакции. Такие реакции протекают при температуре от 600 до 1000 °С.

Составьте уравнения реакций термического разложения метана и бензола. Мо(СО)6=Мо+6СО Атомы углерода осаждаются на поверхности субстрата, соединяясь в нанотрубку, которая растет снизу вверх. Составьте уравнения реакций разложения тетракарбонил никеля, пентакарбонил железа, и азида лития.

Возможный механизм образования фуллеренов (www.nanometer.ru) Разложение бензола приводит к конденсации между собой углеродных шестичленных колец, соединяющихся друг с другом путем отщепления молекул водорода:

Получение углеродных нанотрубок дегидрированием бензола (him.1september.ru) Вместо метана и бензола для химического осаждения углерода можно использовать и другие доступные углеводороды: этилен, ацетилен, этан.

Составьте уравнения реакций термического разложения этилена, ацетилена, крупные наночастицы. Если частицы оксидов будут находиться в зоне реакметана. Какой из этих углеводородов в расчёте на единицу массы позволит ции более порядка тысячных долей секунды, то они укрупнятся настолько, получить большую массу углерода, при условии равного выхода продукта реакции?

соединения, способные разлагаться на атомы металла и молекулы газа.

гексакарбонил молибден, который в присутствии катализатора разлагается Отдельные атомы соединяются между собой, превращаясь во всё бо- При комнатной температуре хлорид железа (III) обратимо реагирует с водой.

лее крупные кристаллы. Чтобы не образовалось обычное кристаллическое золото, реакцию проводят в присутствии поверхностно-активных веществ, Иногда при гидролизе отдельные наночастицы образуют коллоидный прежде всего тиолов (RSH), рост кристаллов можно затормозить раствор — золь, далее переходящий в нерастворимый гель. Например, гиAu+RSH=AuSR(защитный слой)+1/2H2 дролиз сложных эфиров ортокремниевой кислоты приводит к образованию Размер частицы зависит как от концентрации золота, так и от концен- геля кремниевой кислоты:

Стабилизированная наночастица золота (www.nanometer.ru) Как изменится размер наночастиц золота с увеличением концентрации соли рисунок):

золота и снижением концентрации поверхностно-активного вещества?

В органических растворителях стабилизатором наночастиц золота в толуоле являются четвертичные аммонийные соли, например [N(C8H17)4]+BrГидрофильная Схема обращённой мицеллы, образованной бромидом тертаоктиламмония в растворе толуола растворитель дифениловый эфир, температура 130-2500С.

Поясните термин «обращённая мицелла»

Наночастицы оксидов можно получить в растворах реакцией ги- Предложите формулу второго продукта реакции.

дролиза солей при повышенной температуре. При нагревании раствора хлорида железа(III) при 95 °С получают нанопорошок оксида железа(III):

2FeCl3 + 3H2O = Fe2O3 + 6HCl.

Любой метод получения наночастиц приводит к тому, что образуются наночастицы различных размеров. На рисунке представлена диаграмма распределения нанокластеров палладия методом восстановления хлорида палладия водородом.

очень красиво преломлять свет. Если алмазу, посредством обработки (шлифовки) придать определённую форму, максимально выявляющую способность к преломлению, то получается бриллиант — камень, являющийся украшением и используемый в ювелирном производстве.

Известно, что алмазы являются самым твёрдым из всех известных веществ, и стабильные. Границу между ними позволяет провести правило изолироалмазы нельзя поцарапать никаким другим веществом. Как вы думаете, чем ванных пятиугольников. Наиболее стабильными являются те фуллерены, в карат) — бриллиант индийского происхождения, безукоризненнопрозрачn > 70 всегда есть изомер, подчиняющийся указанному правилу, число таких ный, легкого желтовато-бурого оттенка. Глубокая бороздка на нём свидеизомеров быстро возрастает с ростом числа атомов. Найдено 5 изомеров тельствует, что его носили как талисман.

Открытие фуллеренов — первой молекулярной формы углерода, стало одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. В наПервоначально фуллеренам приписывались свойства ароматических стоящее время наиболее изучен фуллерен, содержащий 60 атомов углерода, соединений. Однако последующее исследование их свойств это не подтверрасположенных на сфере с диаметром приблизительно в 1 нм, и напоминадило, так как фуллерены довольно легко участвуют в реакциях присоединеющий футбольный мяч. Этот фуллерен получил собственное имя Бакминстер Представители фуллеренов: С60, С70, С90 (Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. 2005) и 20 правильных шестиугольников. В 90-х годах XX века были разработаны фуллерены и сейчас являются весьма дорогим материалом (дороже золота), что ограничивает их практическое применение. За открытие фуллеренов состава C60 и C70, сделанное в 1985 году Р. Керл, Р. Смолли и Г. Крото были удостоены Нобелевской премии по химии в 1996 году. Чем фуллерЕНОЛ отличается от фуллерОЛа?

Фуллерены можно разделить на два типа: более стабильные и менее В фуллерены удалось внедрить частицы металлов. Для таких фуллере- дов и последующей конденсацией. Происходит так называемая самосборка нов предложена следующая символика: для атомов металла внутри фулле- углеродных нанотрубок из атомов углерода. Диаметр однослойных нанотрурена — М@Сn, а для атомов металлов снаружи — МС60. Первое получение бок около 1 нм, а их длина может быть в миллионы раз больше. Свёрнутый таких частиц основано на лазерном испарении смесей лантана и графита. В в трубочку листок гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист.

высокотемпературной плазме ионы лантана восстанавливаются и включают- Поэтому углеродные нанотрубки такие прочные. Нить, сделанная из углеся в клетку фуллерена во время ее формирования. К настоящему времени родных нанотрубок, толщиной всего в человеческий волос способна удерполучен и ряд соединений фуллеренов с металлами типа МхС60. Интерес к живать груз в сотни килограмм. Протяженные цилиндрические структуры этим веществам связан с тем, что они обладают сверхпроводимостью. диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свернутых в трубку Что такое сверхпроводимость? Как связана электропроводность проводника с его температурой?

С использованием высоких температур (650 оС) и давления (3000 атм) осуществлено внедрение инертных газов и небольших молекул в полость Углеродные нанотрубки разнобразны по строению. Они могут быть одфуллерена С60. ностенными или многостенными (однослойными или многослойными), пряМолекулы С60 могут образовать кристалл фуллерит с гранецентриро- мыми или спиральными, длинными или короткими, и т.д. Различают также ванной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными проводниковые и полупроводниковые нанотрубки.

связями. В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов, то при температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается и образуется новый полимерный материал. Если заполнить также и тетраэдрические полости, то образуется сверхпроводящий материал с критической температурой 20– К. Существуют фуллериты и с другими присадками, дающими материалу уникальные свойства. Например, С60-этилен имеет ферромагнитные свойства.

Как вы думаете, плотность какого материала ниже: фуллерита или графита?

Обоснуйте свой ответ.

Углеродные нанотрубки. Многие перспективные направления в на- Модели углеродных нанотрубок одностенная (слева), многостенная (справа) нотехнологиях связывают с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки — это гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Нанотрубки необыкновенно прочны на растяжение и на изгиб. Под Нанотрубки образуются на поверхности угольных электродов при дуговом действием больших механических напряжений нанотрубки не рвутся, не лоразряде, в результате испарения атомов углерода с поверхности электро- маются, а просто перестраивается их структура.

Кроме хлора и фтороводорода хлорирующими агентами являются PCl5, SO2Cl (хлористый сульфурил) N-хлорсукцинимид.

Чем объясняется прочность нанотрубок?

Химия углеродных нанотрубок отличается от химии фуллеренов и графита вследствие особенностей их строения. Фуллерены способны образовывать молекулярные кристаллы, графит представляет собой сложный полимерный кристалл, а нанотрубки — это промежуточное состояние между ними. Фуллерены имеют небольшой объем внутренней полости, в котором может поместиться лишь несколько атомов других элементов, а углеродные нанотрубки обладают большим внутренним объемом. В однослойные и многослойные нанотрубки можно внедрить различные наночастицы:

Гадолиний в фуллерене внутри однослойной нанотрубки (Gd@C60@SWNT) (nature.web.ru) применения графена заключается в его использовании в качестве очень В многослойных нанотрубках эти частицы располагаются между отЕсли же один слой графита свернуть в трубочку и эту трубку замкнуть, дельными слоями. Свойства таких нанотрубок значительно отличаются от Углеродные нанотрубки применяются как в виде массивных изделий, так и в виде миниатюрных устройств. В первом случае используют множество трубок в качестве наполнителей для композитов, источников токов, сверхпрочных нитей, адсорбентов или аккумуляторов газов.

Во втором случае нанотрубки применяют для изготовления различных электронных устройств, полевых эмиттеров (излучателей) электронов, сверхпрочных зондов микроскопов, сенсоров и т.д.

Графен — слой атомов углерода, соединенных посредством sp связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Его можно предста- Углеродная нанотрубка (kbogdanov1.narod.ru) вить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. Из этих нанотрубок можно сплести волокна. Из таких нановолокон уже Графен был получен лишь в начале XXI века, его химические и физиче- сейчас делают бронежилеты, которые значительно легче пластика, но прочские свойства изучены недостаточно. Однако результаты первых проведен- нее стали.

ных исследований указывают на его уникальные свойства и перспективность Углеродные нанотрубки используются и в области электроники, наего использования. Графен обладает большой механической жесткостью и пример, на их основе можно создать приборы, позволяющие очень точно хорошей теплопроводностью и электропроводностью. определять параметры движения (ракеты, самолета или вовремя сработать подушке безопасности в автомобиле и т.д). Таким образом, нанотехнологии позволяют увеличить чувствительность и быстродействие приборов, повысить надежность материалов, уменьшить их габариты и при массовом производстве снизить стоимость производимых продуктов.

4.2 Нанопорошки и их применение Что такое стабилизация наноструктур? Какие способы стабилизации наноструктур Вам известны?

Перспективным направлением развития нанотехнологии является поиз расплава со скоростью, близкой к критической. 1 — нанокристаллы; 2 — переходная область;

лучение порошков с особыми свойствами, такими как: низкие температуры



Похожие работы:

«УЧИТЕЛЯ И ГИС Сазонтова Н.А., Шакирова А.Р. Томский государственный университет, г. Томск В статье дан анализ первого опыта преподавания геоинформационных технологий для учителей городских и сельских школ Томской области. Представлена содержательная часть программы обучения ГИС-технологиям. Рассмотрены проблемы, встречающиеся при реализации программы. THE TEACHERS AND GIS Sazontova N.A., Shakirova A.R. Tomsk state university, Tomsk In this article the analysis of the first experience of...»

«МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА Омский институт водного транспорта (филиал) федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Новосибирская государственная академия водного транспорта ГОДОВОЙ ОТЧЕТ учебный год 2010 - 2011 (начало уч. года) (конец уч. года) Директор Т.И. Зайко (Подпись) (Ф.И.О.) ОМСК - 2011 (город) (год) Содержание 1 Организационно-правовое обеспечение образовательной...»

«Кариес зубов: [учебное пособие по специальности 06010565 Стоматология], 2012, 157 страниц, 5917020825, 9785917020822, СГМУ, 2012. В книгу вошли программные материала по данному разделу, соответствующие ФГОС дисциплины Стоматология, рассмотрены вопросы диагностики и лечения кариеса зубов. Для студентов стоматологического факультета Опубликовано: 11th September 2010 Кариес зубов: [учебное пособие по специальности 06010565 Стоматология] СКАЧАТЬ http://bit.ly/1cCNwT,,,,. Для гостей открываются...»

«АНО ВПО ЦС РФ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КООПЕРАЦИИ КАФЕДРА ТОВАРОВЕДЕНИЯ, ТОВАРНОГО КОНСАЛТИНГА И АУДИТА МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ (РАЗДЕЛ: ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫЕ ТОВАРЫ) специальность 080401.65 Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения) Москва 2010 УДК 641.1 ББК 36-9 К 82 Криштафович В.И. Методические рекомендации по выполнению выпускной квалификационной работы (Раздел: продовольственные товары). - М.: Российский университет кооперации,...»

«Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГБОУ ВПО ИГМУ Минздравсоцразвития России) Кафедра технологии лекарственных форм МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по учебной практике по фармацевтической технологии Иркутск, 2012 г. Методические рекомендации составлены в соответствии с 1. Программой (1995 г.), утвержденной Министерством...»

«О рациональном использовании лекарств Приказ МЗ РМ № 287 от 12.07.2006 г. Для реализации положений Закона о здравоохранении (№ 411-XII от 28.03.1995), Закона о фармацевтической деятельности (№ 1456-XII от 25.05.1993), Закона о лекарствах (№ 1409-XIII от 17.12.1997), Закона об обязательном медицинском страховании (№ 1585-XIII от 27.02.1998), в целях гарантирования обеспечения качественными, эффективными, безопасными лекарствами, увеличения их доступности для населения Республики Молдова, на...»

«МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ П. А. Торопов, Б. А. Терентьев Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Методическое пособие Проект ПРООН / ГЭФ / МКИ СОхРаНеНИе бИОРазНООбРазИя в РОССИйСКОй чаСтИ алтае-СаяНСКОГО ЭКОРеГИОНа П. А. Торопов, Б. А. Терентьев Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ Алтае-Саянского экорегиона Методическое пособие WWF России Москва • 2011 Авторы: П. А. Торопов, Б. А. Терентьев Рецензенты: к. г. н. Н. Л. Фролова, к. г. н. Г. В....»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ (ДИПЛОМНОЙ) РАБОТЫ Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальности 020209.65 – Микробиология Уфа - 2011 УДК 576.8 (07) ББК 52.64я7 Т66 Требования к выполнению научно-практической (дипломной) работы: учебно-методическое пособие для...»

«Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Боханская средняя общеобразовательная школа № 1 РАССМОТРЕНО СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ методическим объединением Заместитель директора Директор _ естественных наук Балдынова М.В. Онгоева Н.К. Протокол № _20г. Приказ № от 20г. от _20г РАБОЧАЯ ПРОГРАММА По физике 10 класс ступень обучения среднее (полное) общее образование уровень базовый Рабочая программа составлена на основе программы по физике. Авторы: В.А.Коровин, В.А.Орлов. Программа для...»

«Разработка технологии выработки пряжи для заданного артикула ткани Методические указания для выполнения курсовой работы студентами 3-его курса бакалавриата по направлению 551200 по дисциплине МТТМ (прядение) Иваново 2006 Курсовая работа по разработке технологии выработки пряжи для заданного артикула ткани является первым этапом на пути выполнения квалификационной работы студентами бакалавриата по направлению 551200. В настоящих методических указаниях приводятся содержание и объём, краткие...»

«РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВА И ПРАВА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по оформлению контрольных работ, курсовых работ, выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций для студентов Института государства и права Тюмень 2013 1 Настоящие методические указания подготовлены на основе следующих нормативно-технических...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ НИНХ БИЗНЕС-КОЛЛЕДЖ СБОРНИК методических рекомендаций для практических и семинарских занятий по учебной дисциплины ГОСТИНИЧНАЯ ИНДУСТРИЯ для специальности 100105 Гостиничный сервис (базовый уровень) 2011 СОГЛАСОВАНО Руководитель НМС /Н.В.Писаная/ _ 2011г. РАССМОТРЕНО И ОДОБРЕНО на заседании ПЦК СД Протокол № _ _ 2011г....»

«УТВЕРЖДЕНЫ приказом Минспорта России от 24 октября 2012 г. № 325 Методические рекомендации по организации спортивной подготовки в Российской Федерации Настоящие Методические рекомендации по организации спортивной подготовки в Российской Федерации (далее – Методические рекомендации) подготовлены с целью оказания методической помощи государственным и муниципальным учреждениям, осуществляющим деятельность в области физической культуры и спорта, в организации спортивной подготовки на основе...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУВПО ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра новейшей истории России Корниенко С.И. Учебно-методический комплекс по дисциплине СОЦИОКУЛЬТУРНАЯ ДИНАМИКА РОССИЙСКОГО ОБЩЕСТВА В ХХ ВЕКЕ (Ч. 1; Ч. 2) Направление: 030600.62 История Согласовано: Рекомендовано кафедрой: Учебно-методическое управление Протокол № _2011 г. _2011 г. Зав. кафедрой _ Пермь 2011 Автор-составитель: Корниенко Сергей Иванович, доктор исторических наук, профессор Учебно-методический...»

«ЛИНИЯ УМК ПО МАТЕМАТИКЕ Г. К. МУРАВИНА, О. В. МУРАВИНОЙ В рамках Федеральных государственных образовательных стандартов перед всеми участниками образовательного процесса поставлены следующие задачи: формирование у учащихся представлений о математике как части мировой культуры, развитие креативности, самостоятельности мышления, интереса к предмету, самоконтроля и самооценки познавательной деятельности, способности к построению индивидуальных образовательных траекторий и др. Рассмотрим пути...»

«Российское трудовое право: учебник для вузов, 1997, А. Д. Зайкин, 5891231271, 9785891231276, ИНФРА-М, 1997 Опубликовано: 16th January 2010 Российское трудовое право: учебник для вузов СКАЧАТЬ http://bit.ly/1i4LnCX Профсоюзы и трудовое право, Ирина Олеговна Снигирева, 1983, Labor laws and legislation, 174 страниц.. Совет Европы основные направления деятельности и результаты, Н. Б. Топорнин, 1996, European federation, 76 страниц.. Регулирование рабочего времени в СССР, Леонид Яковлевич...»

«История политических и правовых учений: [учебник для вузов по специальности Юриспруденция, 2012, 655 страниц, 5917683085, 9785917683089, Норма, 2012. В учебнике освещается всемирная история политической и правовой мысли. В нем представлены основные политико-правовые теории Древнего мира, Средних веков, Нового и Новейшего времени. Для студентов, аспирантов и преподавателей юридических вузов Опубликовано: 12th August 2010 История политических и правовых учений: [учебник для вузов по специальности...»

«МОСКОВСКАЯ АКАДЕМИЯ ТУРИСТСКОГО И ГОСТИНИЧНО-РЕСТОРАННОГО БИЗНЕСА Под редакцией И.А. Рябовой, Ю.В. Забаева, Е.Л. Драчёвой Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области производственного менеджмента в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности Экономика и управление на предприятии (по отраслям) Четвертое издание, исправленное и дополненное УДК 338.48(075.8) ББК 65.433я73 Э40 Рецензент А.Д. Чудновский, директор Института туризма и развития рынка...»

«_copy.qxd 06.11.2008 19:31 Page 1 ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ОБРАЗОВАНИЕ _copy.qxd 06.11.2008 19:31 Page 2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПОЛИТИКИ ЭВРИКА _copy.qxd 06.11.2008 19:31 Page 3 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ РУКОВОДИТЕЛЯМ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЕМ РЕГИОНАЛЬНОГО И МУНИЦИПАЛЬНОГО УРОВНЕЙ ПО РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОЕКТОВ МОДЕРНИЗАЦИИ...»

«Министерство образования и науки Самарской области Министерство имущественных отношений Самарской области Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования Тольяттинский индустриально-педагогический колледж (ГБОУ СПО ТИПК) ПУБЛИЧНЫЙ ОТЧЕТ о результатах деятельности Государственного бюджетного образовательного учреждения среднего профессионального образования Тольяттинского индустриально-педагогического колледжа за 2012-2013 учебный год Тольятти, 2013 г....»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.