НАНОХИМИЯ

Учебная программа для специальности

1-31 05 01 Химия (по направлениям)

Направления специальности:

1-31 05 01-01 научно-производственная деятельность

Пояснительная записка

Курс по выбору “Нанохимия” предназначен для студентов старших

курсов и магистрантов химического факультета. Его цель - ознакомить

студентов с основными достижениями нанотехнологии, нанообъектами (кластерами, наночастицами, квантовыми точками и др.), особыми свойствами вещества в наноразмерном состоянии, способами получения индивидуальных частиц, принципами объединения их в ансамбли и создания на этой основе наноструктур с определенными функциональными свойствами. Изучение разделов, посвященных таким методам исследования наноструктур, как просвечивающая электронная микроскопия и электронография, рентгенография призвано обеспечить подготовку в области исследования микроструктуры, морфологии и фазового состава твердофазных веществ, в том числе нанодисперсных объектов, представляющих собой золи, порошки, тонкие пленки и массивные наноструктурированные образцы.

В задачи данной учебной дисциплины входит:

– получение студентами фундаментальных физико-химических знаний и представлений о зависимости физических и химических свойств вещества от количества атомов в его частице, об особенностях наноразмерного состояния, химических способах получения наночастиц и наноструктурированных материалов, объединения наночастиц в функциональные ансамбли; природе взаимодействия электронов с твердыми телами, эффектах, сопровождающих это взаимодействие и использовании этих эффектов для получения информации о фазовом составе вещества, форме, размерах и взаимном расположении частиц вещества, об особенностях дефектной структуры веществ в твердом состоянии включая моно- и поликристаллические, аморфные, стеклообразные массивные, нанодисперсные вещества и тонкие пленки;

– формирование у студентов синтетического научного мировоззрения, основанного на объединении знаний из различных областей науки; навыков и умений для проведения научных исследований с применением современных синтетических и инструментальных методов; грамотной постановки задачи, подготовки объектов для проведения исследований методами электронной микроскопии и электронографии, рентгенографии и интерпретации полученных результатов;

– подготовка студентов к последующему выполнению курсовых и дипломных работ, магистерских и кандидатских диссертаций.

Систематический контроль знаний студентов в течение всего семестра осуществляется в форме коллоквиумов по основным темам курса, составления отчетов по лабораторным работам, самостоятельных и контрольных работ на практических занятиях, опроса на семинарских занятиях. Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется использование рейтинговой системы.

Индивидуальная работа со студентами проводится в процессе выполнения ими многовариантных лабораторных, практических, самостоятельных и контрольных работ, сдачи коллоквиумов.

Содержание программы Нанотехнология как основное стратегическое направление развития человеческой деятельности в XXI веке. Особенности нанопроблематики, ее связь с другими областями науки. Перспективы применения достижений нанотехнологии в материаловедении и производстве материалов, электронике и вычислительной технике, биологии и медицине, аэронавтике и космических исследованиях, энергетике и химической промышленности, охране окружающей среды и др. Возможные экологические и социальные последствия применения нанотехнологий.

Проблемное поле нанохимии. Объекты изучения: кластеры, наночастицы, наноструктуры, структуры с квантоворазмерным эффектом (квантовые ямы, квантовые нити, квантовые точки).

Особые свойства вещества в высокодисперсном состянии. Условия и причины возникновения размерных эффектов. Внутренний и внешний размерный эффект. Отличительные особенности электронной структуры наночастиц.

Физические явления, связанные с проявлением размерных эффектов (понижение температуры плавления, электрические и магнитные свойства наночастиц, особенности оптических спектров наночастиц полупроводников и металлов).

Размерные эффекты в химии. Термодинамические и кинетические особенности поведения наночастиц. Зависимость химической активности и реакционной способности вещества от размера и формы образующих его частиц. Влияние размера частиц, формирующихся на начальной стадии химической реакции, на характер ее протекания. Фазовый размерный эффект.

Роль состояния поверхности и поверхностных реакций в нанохимии.

Наноразмерный катализ. Зависимость каталитических свойств кластеров от их строения и размеров. Возможности молекулярного дизайна активных центров. Каталитические свойства наночастиц металлов и полупроводников Методы исследования, применяемые в нанохимии.

Электронография. Задачи, решаемые методом электронографии.

Взаимодействие электронов с веществом. Дифракция электронов на кристаллической решетке твердофазных веществ. Закон Вульфа-Брегга в электронографии. Достоинства и недостатки электронографии в сравнении с другими дифракционными методами исследования. Общие представления о принципе работы электронографа. Возможности локальной съемки.

Получение электронограмм на «просвет» и на «отражение». Типы электронограмм. Важнейшие характеристики электронограмм: точность определения положения узлов в кристаллической решетке, разрешающая способность метода, сведения, извлекаемые из анализа интенсивности линий или рефлексов. Применение электронографии для исследования наноструктурных объектов (золи, нанодисперсные порошки, тонкие пленки).

Подготовка нанодисперсных и массивных образцов для ЭГ исследований.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Диффузное рассеяние электронов веществом. Принцип формирования изображения в просвечивающем электронном микроскопе. Контраст изображения и определяющие его факторы. Общие сведения об устройстве прибора.

Регулирование увеличения. Представления о разрешающей способности.

Препарирование образцов для исследования. Подготовка нанодисперсных объектов к исследованию; прямое препарирование. Подготовка массивных объектов к исследованию методами ЭГ и ПЭМ. Использование метода реплик в просвечивающей электронной микроскопии. Сочетание прямых и косвенных методов препарирования для исследования гетерогенных систем.

Выбор методики препарирования в зависимости от природы и микроструктуры исследуемых объектов. Влияние методики препарирования на контраст изображения, разрешающую способность реплик, характер получаемой информации. Обработка и интерпретация результатов ПЭМ исследования. Определение размеров частиц. Виды гистограмм и их выбор для обработки данных в зависимости от характера исследуемых объектов и цели исследования.

Рентгенография. Взаимосвязь структура-свойство. Кристалличесиое состояние: монокристалл, поликристалл. Дифракционные методы исследования структуры вещества (сравнительные характеристики, возможности и границы применения). Система атомов как дифракционная решетка. Условия Лауэ. Методы получения дифракционного эффекта: метод Лауэ, метод Дебая-Шерера, метод вращения. Области их применения.

Фотографическая и дифрактометрическая аппаратура, пробоподготовка, особенности пробоподготовки наноматериалов. Факторы, влияющие на интенсивность дифракционного отражения. Влияние субструктуры образца на внешний вид рентгенограммы. Основы рентгеноструктурного анализа.

Качественный рентгенофазовый анализ.

Методы получения вещества в ультрадисперсном состоянии.

Общее представление о термодинамике и кинетике процессов зародышеоразования и роста зародышей твердой фазы. Возможности управления структурой твердых тел при выращивании монокристаллов, пленок, порошков путем регулирования пересыщения (переохлаждения) в системе. Общие принципы выращивания монокристаллов, поликристаллических и эпитаксиальных пленок. Классификация методов синтеза наночастиц. Принципы снизу-вверх и сверху-вниз.

Физические методы (механические способы диспергирования, физические методы, основанные на испарении и конденсации, метод электрического взрыва проводников, метод сушки вымораживанием и др.).

Обзор наиболее распространенных химических методов синтеза твердофазных материалов. Возможности модификации этих методов для получения наночастиц. Криохимический синтез. Твердофазное восстановление, термическое разложение, химическое восстановление в жидкой фазе. Синтез в гетерофазных системах (в микроэмульсиях, обратных мицеллах, межфазный синтез). Синтез в полимерах и дендримерах.

Радиационно-химические методы (радиолиз, импульсный радиолиз, фотолиз). Использование других видов излучения (СВЧ, ультразвук) в синтезе наночастиц. Золь-гель-метод и его модификации. Принципы получения монодисперсных частиц. Возможности управление размерами и формой наночастиц при использовании различных методов синтеза.

Получение частиц типа ядро-оболочка и полых частиц.

Основные принципы создания ансамблей наночастиц. Особенности формирования нанострукутр различной размерности (одно-, дву-, трехмерных). Понятие о самоорганизации. Самоорганизованные монослои.

Молекулярная самоорганизация и самосборка материалов. Понятие об иерархических структурах. Простейшие способы создания ансамблей наночастиц (испарение капли и медленная дестабилизации коллоидных дисперсий). Коллоидные кристаллы. Молекулярное и ионное наслаивание.

Полиэлектролитные самоорганизованные монослои. Самоорганизация в трехмерные структуры. Темплатный синтез. Искусственные опалы.

Использование биомолекул в синтезе наноструктур. Биомиметика.

Литографические методы создания наноструктур. Мягкая литография.

Перьевая нанолитография. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

Исследования по нанохимической проблематике, проводимые в НИИ физико-химических проблем и на кафедре неорганической химии Белгосуниверситета. Получение наноразмерных частиц металлов.

Окислительно-восстановительные процессы в светочувствительных слоях на основе галогенидов серебра. Наноструктурированные оксидные и гидроксидные системы. Катализаторы и газовые сенсоры, пленочные структуры, формируемые различными способами. Структуры с квантоворазмерными эффектами на основе халькогенидов металлов и др.

1. О.В.Сергеева, С.К.Рахманов. Введение в нанохимию: пособие для студентов химического факультета. Мн.: БГУ. 2009.

2. Г.Б.Сергеев. Нанохимия. М.: Из-во Московского ун-та. 2003.

3. Т.Н.Воробьева, А.И.Кулак. Химия твердого тела. Минск: Из-во БГУ.

4. И.П.Суздалев. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур, наноматериалов. М. URSS. 2005, 2009.

5. Ч.Пул, Ф.Оуэнс. Нанотехнологии. М.:Техносфера. 2005, 2009.

6. 6. G.A. Ozin, A.C. Arsenault, L.Cademartiri. Nanochemistry. RCS Publishing. 2009.

7. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения. Ч.1. М. Мир.

8. Кнотько А. В., Пресняков И.А., Третьяков Ю.Д. Химия твердого тела:

Учеб. пособие для студентов вузов / А. В. Кнотько, И. А. Пресняков, Ю. Д. Третьяков. М.: Академия, 2006. 304 с.

9. Лукьянович В.М. Электронная микроскопия в физико-химических исследованиях. М. АН СССР. 1960.

10.Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ: Справочное пособие. М.

11.Оджаев В.Б., Свиридов Д.В., Карпович И.А., Понарядов В.В.

Современные методы исследования конденсированных материалов.

Минск: БГУ, 2003. 82 с.

12.Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. 672 с.

13.Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н.

Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия.

Учебник для вузов. М. Металлургия. 1982. 632 с.

14.Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. М. Мир. 1972.

15.Эндрюс К., Дайсон Д., Киоун С. Электронограммы и их интерпретация.

М. Мир. 1971. 300 с.

1. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направлений исследований. Под. ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса. М.: Мир.

2002.

2. Н.Кобаяси. Введение в нанотехнологию. М.: Бином. 2005.

3. Ю.И. Петров. Кластеры и малые частицы. М.: Наука. 4. С.Г.Губин. Химия кластеров. М.: Наука. 1987.

5. Химические проблемы создания новых материалов и технологий. Минск.

Из-во “Университетское”. 1998, 2003, 2008 гг.

6. Выбраныя навуковыя працы Белдзяржунiверсiтэта. Т.V. Хiмiя. Минск. Изво “Университетское” 2001г.

7. Нанотехнологии. Наноматерилаы. Наносистемная техника. Мировые достижения –2008. Сб. под ред. П.П.Мальцева. М.: Техносфера. 2008.

8. И.В. Мелихов. Физико-химическая эволюция твердого вещества. М.:

Бином. Лаборатория знаний. 2008.

9. Д.И.Рожонков, В.В.Левшин, Э.Л.Дзидзигури. Наноматериалы. М.: Бином.

Лаборатория знаний. 2008.

10. Мансури Г.Али. Принципы нанотехнологии: исследование конденсированных веществ малых систем на молекулярном уровне. М.:

Научный мир. 2008.

11. П.А.Витязь, И.А. Свидунович. Основы нанотехнологий и нанометариалов. Мн.: Вышэйшая школа. 2010.

12. Л.И. Гречихин. Наночастицы и нанотехнологии. Мн.: Право и экономика.

2008.

13. В.И. Балабанов. Нанотехнологии: наука будущего. М.: Эксмо. 2009.

14. Л.Фостер. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. М.:

Техносфера, 2008.

15. Наноструктурные материалы (под ред. Р.Ханника и А.Линн). М.:

Техносфера, 2009.

16. Е.А. Кац. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. М.:

URSS: Либроком, 2009.

17. Нанонаука и нанотехнологии: энциклопедия систем жизнеобеспечения (соредакторы Осама О. Аваделькарим, Чуньли Бай, С.П.Капица). М.:

Магистр-Пресс: Изд-во ЮНЕСКО: Изд-во EOLSS, 2009.