[ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
УТВЕРЖДАЮ
Ректор РХТУ им. Д.И. Менделеева
_ В.А. Колесников
Программа краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников высшей школы по направлению
«ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ»
на базе учебного курса «Процессы получения наночастиц и наноматериалов»Цель Изучение основных процессов получения наночастиц и наноматериалов Категория слушателей преподаватели и научные работники высшей школы Примерный срок обучения 24 часа Форма обучения _с частичным отрывом от работы Режим занятий 8 часов в день Целью данного курса является приобретение знаний о химических, физических и биологических методах синтеза наночастиц и наноматериалов, о способах контролируемого роста для получения наночастиц требуемого размера и формы, о методах синтеза пленок и покрытий, массивных наноструктурированных и микропористых материалов, о стабилизации дисперсий наночастиц в полярных и неполярных средах и самоорганизации наночастиц в пленках и объемных структурах.
Требования к уровню освоения учебного курса.
Преподаватели должны:
Знать:
• физические, химические и биологические методы синтеза наночастиц и наноматериалов, методы стабилизации наночастиц и наноматериалов;
• процессы получения и области применения полимерных, керамических, нанокомпозиционных, магнитных и др. функциональных наноматериалов.
Иметь навыки:
• получения наночастиц благородных металлов, полупроводников и магнитных материалов;
• получения нанокомпозитов, • получения пленок и покрытий.
Иметь представление:
• о методах контролируемого осаждения в водной среде, • об основах золь-гель технологии, • об особенностях синтеза наночастиц и наноматериалов в сверхкритических жидкостях, • о способах получения углеродных нанотрубок, фуллеренов и других углеродных наноструктур, • о методах получения консолидируемых наноматериалов, • о контролируемой кристаллизации аморфных материалов, • о видах матриц, используемых для темплатного синтеза наночастиц и наноматериалов.
• О внутриклеточном и внеклеточном синтезе наночастиц и наноматериалов.
Научные работники должны:
Знать:
• физические, химические и биологические методы синтеза наночастиц и наноматериалов, методы стабилизации наночастиц и наноматериалов;
• процессы получения и области применения полимерных, керамических, нанокомпозиционных, магнитных и др. функциональных наноматериалов.
Иметь навыки:
• самостоятельно ориентироваться в литературе, посвященной получению наночастиц и наноматериалов, • анализировать достоинства и недостатки различных методов получения наночастиц и наноматериалов, • выбирать рациональные методы синтеза нанообъектов и наноматериалов.
Иметь представление:
• о физических, химических и биологических методах получения наночастиц и наноматериалов;
• о способах получения мезопористых материалов, • о способах получения тонких пленок и покрытий.
Учебный курс «Процессы получения наночастиц и наноматериалов» состоит из дистанционной и очной частей.
Дистанционная часть учебного курса обеспечивает слушателя необходимым объемом знаний по выбранной тематике. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному обсуждению рефератов по выбранным темам, к выполнению лабораторного практикума в специализированной лаборатории кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И.Менделеева. Дистанционная часть учебного курса составляет 12 часов учебной нагрузки и включает теоретическую часть (лекционную) и тестирование.
В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены теоретические основы химических, физических и биологических методах синтеза наночастиц и наноматериалов, о методах синтеза пленок и покрытий, о способах получения наночастиц со структурой ядро-оболочка и многослойных наночастиц, о способах ограничения роста и стабилизации наночастиц в полярных и неполярных средах.
Теоретическая часть учебного курса состоит из пяти лекций.
Лекция 1. Синтез наночастиц методами осаждения в жидких средах Основные химические реакции, приводящие к синтезу наночастиц в жидких средах.
Формирование золей - коллоидные растворы. Получение наночастиц золота, серебра и других благородных металлов. Получение наночастиц несферической формы. Синтез нанопроволоки и наностержней металлов.
Синтез магнитных наночастиц в полярных и неполярных средах. Стабилизация наночастиц и получение магнитных жидкостей.
Основные способы синтеза полупроводниковых наночастиц - контролируемого осаждения, молекулярных прекурсоров. Основные факторы, влияющие на размер синтезируемых наночастиц. Кинетический контроль роста наночастиц.
Лекция 2. Золь-гель технология наночастиц и нанопористых материалов. Синтез наночастиц в сверхкритических жидкостях.
Основные стадии золь-гель процесса. Особенности гидролиза и поликонденсации алкоксидов кремния в щелочной и кислой среде. Гелеобразование и синерезис. Удаление растворителя - образование ксерогелей и аэрогелей. Получение золь-гель методом наноматериалов на основе оксидов кремния и титана. Синтез золь-гель методом нанокомпозитов типа "неорганика-неорганика" и "органика-неорганика".
Разновидности методов синтеза наночастиц и наноматериалов в сверхкритических жидкостях. Роль сверхкритической жидкости при синтезе - растворитель, сорастворитель, анти-растворитель, растворенное вещество, реакционная среда. Схемы основных методов.
Использование сверхкритической воды и диоксида углерода для получения наночастиц.
Варианты гидро- и сольвотермального синтеза - получение наночастиц при протекании физических и химических процессов. Основные параметры, влияющие на морфологию синтезируемых наноматериалов.
Лекция 3. CVD и PVD процессы. Плазмохимическое осаждение.
Классификация CVD и PVD процессов по давлению и способам введения прекурсоров.
Методы получения углеродных наноматериалов. Пиролитические способы.
Методы плазмохимического осаждения в зависимости от способа образования плазмы.
Особенности осаждения в плазме и лазерном луче. Лазерно-термический способ получения углеродных нанотрубок.
Лекция 4. Методы получения консолидированных наноматериалов. Методы интенсивной пластической деформации. Контролируемая кристаллизация аморфных материалов.
Методы получения консолидированных наноматериалов. Метод Г.Глейтера (газофазное осаждение и компактирование). Прессование и спекание. Электроразрядное спекание.
Горячая обработка давлением (горячее прессование, ковка, экструзия). Деформация кручением при высоких давлениях. Равноканальное угловое прессование. Обработка давлением многослойных композитов. Специальная прокатка. Особенности наноструктур, образующихся в методе интенсивной пластической деформации.
Особенности перехода материала из аморфного в микро- и нанокристаллическое состояние. Размеры кристаллов, возникающих внутри аморфного материала при различных условиях кристаллизации.
Лекция 5. Матричный (темплатный) синтез наночастиц и наноматериалов.
Биологические методы синтеза наночастиц и наноматериалов.
Использование мицеллярных систем и микроэмульсий для синтеза наночастиц. Основные факторы, влияющие на размер и форму, синтезируемых наночастиц. Синтез наночастиц в микроэмульсиях в сверхкритическом оксиде углерода.
Использование гексагональных и кубических жидких кристаллов в качестве матрицы для синтеза наноматериалов и нанопористых тел.
Синтез нанокомпозитов наночастица-дендример. Методы молекулярного наслаивания.
Пленки Ленгмюра-Блоджетт.
Биомембраны и другие объекты биологического происхождения. Внутриклеточный и внеклеточный синтез наночастиц и наноматериалов. Магнетобактерии, магнетосомы.
Синтез наночастиц с использованием биомолекул (ДНК, аминокислот и др.).
Очная часть учебного курса представляет собой обсуждение рефератов по выбранным темам, выполнение лабораторных работ в специализированной лаборатории кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И.Менделеева. Задача очной части курса – углубление и закрепление информации, освоенной в ходе дистанционной части курса, включая знакомство с лабораторией по синтезу наночастиц и наноматериалов. Очная часть учебного курса составляет 12 часов учебной нагрузки.
Основные задания на лабораторный практикум 1. Получение наночастиц золота методом осаждения в водном растворе Синтез наночастиц золота размером 10-20 нм в водном растворе по методу Туркевича.
Ознакомление с особенностями данного метода получения наночастиц золота. Оценка размера наночастиц. Изменение цвета раствора при агрегации наночастиц золота.
2. Синтез наночастиц сульфида кадмия в микроэмульсии Получение микроэмульсии, капли которой являются нанореактором для последующего синтеза наночастиц. Синтез наночастиц сульфида кадмия в микроэмульсии. Наглядное подтверждение изменения цвета дисперсии наночастиц в зависимости от их размера.
Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится по 12 часов соответственно.
Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте www.nanoobr.ru. Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.
Тестовые вопросы к курсу «Процессы получения наночастиц и наноматериалов»
Лекция 1. Синтез наночастиц методами осаждения в жидких средах.
Вопрос 1. При увеличении пересыщения в системе скорость образования центров кристаллизации:
а - уменьшается, б - увеличивается, в - не изменяется, г - в разных системах по-разному.
Ответ – Вопрос 2. В методе Туркевича в качестве восстановителя используется:
а - оксалат натрия, б - ацетат натрия, в - цитрат натрия, г - карбонат натрия.
Ответ Вопрос 3. Коллоидные растворы сферических наночастиц золота размером 10-20 нм имеют окраску:
а - синюю, б - зеленую, в - желтую, г - красную.
Ответ Вопрос 4. При синтезе магнитных наночастиц в водной среде необходимо:
а -использовать хлорид Fe3+ и частично восстановить ее до Fe2+, б -использовать хлорид Fe2+ и частично окислить ее до Fe3+, в - использовать смесь хлоридов двух- и трехвалентного железа, г - использовать металлическое железо, при растворении которого в соляной кислоте образуется смесь двух солей.
Ответ Вопрос 5. Нанесение оболочки SiO2:
а - увеличивает устойчивость дисперсий за счет образования гелеобразного слоя на поверхности наночастиц, б - увеличивает устойчивость дисперсий за счет электростатической стабилизации, в - два фактора (а) + (б), г - ни один из этих факторов.
Ответ Лекция 2. Золь-гель технология наночастиц и нанопористых материалов. Синтез Вопрос 1. Недостатком золь-гель метода синтеза НЧ является:
а - часто образуются пористые структуры, б - широкое распределение НЧ по размерам, в - часто образуются частицы размером более 100 нм, Ответ Вопрос 2. Синтез НЧ золь-гель методом. Продукт, образующийся при тепловой сушке геля, называется:
Ответ Вопрос 3. Наиболее часто наночастицы синтезируют в сверхкритической:
б - изопропаноле, Ответ Вопрос 4. Можно ли синтезировать разветвленные наночастицы в сверхкритических условиях:
б - да, но они существуют только в сверхкритических условиях и разрушаются при в - теоретически можно, но никто не пробовал, Ответ Вопрос 5. Целесообразно ли проводить гидротермальный синтез наночастиц с микроволновым нагревом:
а - да, время проведения процесса уменьшается, б - нет, так как время синтеза уменьшается незначительно, а требуется более сложное оборудование, в - нет, так как время синтеза остается таким же, как и при традиционном нагреве, но требуется более сложное оборудование, г - нет, так как такой способ нагрева неэффективен и приводит к увеличению времени проведения синтеза.
Ответ Лекция 3. CVD и PVD процессы. Плазмохимическое осаждение.
Вопрос 1. CVD:
а) испарение и осаждение в инертной среде, б) испарение и осаждение в реакционной среде с получением новых соединений, в) самораспространяющийся высокотемпературный синтез, г) электронный чип на основе квантовой точки.
Ответ Вопрос 2. PVD:
а) испарение и осаждение в инертной среде, б) испарение и осаждение в реакционной среде с получением новых соединений, в) самораспространяющийся высокотемпературный синтез, г) электронный чип на основе квантовой точки.
Ответ Вопрос 3. В CVD процессе прекурсоры могут транспортироваться к субстрату:
а) в виде аэрозоля, б) в жидком состоянии, в) в твердом состоянии, Ответ Вопрос 4. Какой метод не относится к основным методам получения углеродных нанотрубок и нановолокон:
б) лазерно-термический, в) пиролитический, г) биотехнологический.
Ответ Вопрос 5. Плазмохимические методы могут протекать:
а) в тлеющем разряде при постоянном токе, б) с использованием горячего катода, в) в системе с индуктивной плазмой.
Ответ Лекция 4. Методы получения консолидированных наноматериалов.
Контролируемая кристаллизация аморфных материалов. Методы интенсивной Вопрос 1. Какой метод не относится к способам получения консолидированных наноматериалов:
а) компактирование ультрадисперсных порошков, б) синтез в сверхкритических условиях, в) контролируемая кристаллизация аморфных материалов, г) Интенсивная пластическая деформация материалов.
Ответ – Вопрос 2. Метод Г. Глейтера:
а) пиролиз углеводородов, б) золь-гель метод, в) плазмохимический синтез, г) газофазное осаждение и компактирование.
Ответ – Вопрос 3. Переход материала из аморфного в микро- и нанокристаллическое состояние происходит при:
а) спекании аморфных порошков, б) при горячем прессовании, в) при экструзии, Ответ Вопрос 4. Схема какого метода показана на рисунке:
а) кручение под высоким давлением, б) равноканальное угловое прессование, в) всесторонняя ковка, г) специальная прокатка.
Ответ – Вопрос 5. Что относится к особенностям наноструктурных материалов, полученных методом интенсивной пластической деформации:
а) неравновесное состояние границ зерен, б) правильная кристаллическая решетка, в) одинаковый химический состав на границах и внутри зерен, г) отсутствие остаточной пористости и минимальная степень загрязнения материала.
Ответ – Лекция 5. Матричный (темплатный) синтез наночастиц и наноматериалов.
Биологические методы синтеза наночастиц и наноматериалов.
Вопрос 1. В каких структурах, образуемых молекулами поверхностно-активных веществ, можно синтезировать сферические наночастицы:
б - в кубической фазе, в - в гексагональной фазе, г – в ламеллярной фазе.
Ответ – Вопрос 2. Наностержни можно получить при матричном синтезе в структуре, образованной ПАВ:
а - прямая гексагональная фаза, б - обратная гексагональная фаза, в - обратная кубическая фаза, г - прямая кубическая фаза.
Ответ – Вопрос 3. Можно ли синтезировать наночастицы в микроэмульсии в сверхкритическом СО2:
б - нет, образуются микрочастицы, в - нет, образуются микропористые структуры, г - нет, образуются нанопористые структуры.
Ответ – Вопрос 4. При биологическом синтезе образование наночастиц происходит:
а - внутри клетки микроорганизма, в - либо внутри, либо вне клетки, г – микроорганизмы не могут синтезировать наночастицы.
Ответ – Вопрос 5. Магнетобактерии:
а - искусственно выведены, синтезируют магнетит, б - существуют в природе, синтезируют магнетит, в - существуют в природе, обитают в железосодержащих водных средах, но магнетит не синтезируют, г - нет таких бактерий.
Ответ – Контрольные вопросы для проверки материала в количестве 30 вопросов 1. Что означает относящийся к созданию нанообъектов термин "Top down"?
2. Что означает относящийся к созданию нанообъектов термин "Bottom up"?
3. Какие соединения используется в качестве прекурсоров при синтезе наночастиц золота?
4. Какие соединения и в каком соотношении используются для синтеза магнитных наночастиц в водной среде? При синтезе в каких условиях образуются более мелкие магнитные наночастицы?
5. Какие соединения используются в качестве молекулярных прекурсоров при синтезе полупроводниковых наночастиц? При каких условиях получается более узкое распределение наночастиц по размерам при использовании метода молекулярных прекурсоров для синтеза полупроводниковых наночастиц?
6. В каких условиях синтезируются наночастицы, состоящие из сплава двух металлов и имеющие структуру ядро-оболочка?
7. За счет каких факторов увеличивается устойчивость дисперсий наночастиц при нанесении оболочки SiO2? Устойчивы ли дисперсии, содержащие наночастицы с оболочкой из SiO2, в изоэлектрической точке?
8. В какой среде проводится гидролиз алкоксидов кремния при синтезе наночастиц и наноматериалов из SiO2 золь-гель методом?
9. В чем отличие аэрогеля от ксерогеля?
10. Каковы особенности золь-гель синтеза наночастиц НЧ TiO2 ? В какой среде следует проводить процесс?
11. Какие среды наиболее часто используются для синтеза наночастиц в сверхкритических условиях?
12. Какова роль сверхкритических жидкостей при сольво- и гидротермальном синтезе?
13. Какие структуры образуются при синтезе цеолитов гидротермальным методом?
14. Какой метод получения углеродных нанотрубок и нановолокон является основным?
15. Где осаждаются нанотрубки в дуговом методе?
16. В каком случае получаются однослойные нанотрубки в дуговом способе?
17. Какие способы используются для получения фуллеренов?
18. В чем заключается PVD-метод?
19. В чем заключается CVD-метод?
20. Каковы особенности плазмохимического осаждения при синтезе наночастиц?
21. Каковы особенности осаждения при синтезе наночастиц в плазме и лазерном луче.
22. Как образуются конденсационно-кристаллизационные структуры?
23. В чем заключается метод Г. Глейтера?
24. Какие основные особенности перехода материала из аморфного в микро- и нанокристаллическое состояние?
25. Каковы особенности наноструктур, образующихся в методе интенсивной пластической деформации?
26. При протекании каких химических реакций можно синтезировать наночастицы в микроэмульсиях?
27. При синтезе наночастиц в микроэмульсии в сверхкритическом СО2, на какой стадии процесса происходит образование микроэмульсии?
28. При использовании какой структуры, образованной ПАВ, можно проводить синтез наностержней?
29. Где происходит синтез наночастицы при использовании дендримеров в качестве темплата? Как влияет уровень генерации дендримера на структуру синтезируемого композита наночастицы-дендример?
30. Может ли происходить образование наночастиц и наноматериалов внутри и вне клетки живого организма при биологическом синтезе?
В конце очной части учебного курса слушатели готовят отчеты по темам контрольных рефератов, которые используются для углубления усвоения всего учебного курса.
Темы контрольных рефератов по курсу «Процессы получения наночастиц и 1. Синтез наночастиц благородных металлов при осаждении в водных средах.
Получение несферических наночастиц – нанокубов, нанопирамид, нановолокон и 2. Получение полупроводниковых наночастиц. Сравнение и критический анализ различных способов синтеза.
3. Синтез наночастиц, состоящих из сплава металлов, и со структурой ядро-оболочка.
4. Получение золь-гель методом наноматериалов и нанокомпозитов на основе оксида 5. Синтез мезопористых материалов в сверхкритических жидкостях.
6. Способы получения углеродных нанотрубок. Особенности синтеза однослойных и многослойных углеродных нанотрубок.
7. Получение фуллеренов.
8. Всесторонняя ковка (прессование) с многократной сменой оси деформации в методе интенсивной пластической деформации.
9. Синтез наночастиц металлов в микроэмульсиях.
10. Синтез наночастиц бактериями.
№ Название учебного курса и лекций Всего, час лекции тельная практикум Форма контроля «Процессы осаждения в жидких средах.
наночастиц и нанопористых сверхкритических жидкостях.
Плазмохимическое осаждение.
консолидированных наноматериалов. Методы интенсивной пластической деформации. Контролируемая кристаллизация аморфных материалов.
Матричный (темплатный) наноматериалов.
Биологические методы синтеза наночастиц и наноматериалов.
а) основная 1. 1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., Физматлит, 2007, 2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005, 192с.
3. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учебное пособие для вузов. М.:
ИКЦ "Академкнига", 2006, 325 с.
4. Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов. Учебное пособие. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006, 309 с.
5. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. Москва: Торус Пресс, 2007, 6. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы:
получение, структура и свойства. М.: Академкнига, 2007, 398 с.
7. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под. ред. Лучинина В.В., Таирова Ю.М. – М. Физматлит, 2006, 552 с.
б) дополнительная 1. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах.
М.: Химия. 2000. - 672 с.
2. Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, 208 с.
3. П.Харрис Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера. 2003. – 336с.
4. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. – М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.-293 с.
5. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. Учебное пособие. - М.: Университетская книга, Логос, 2006. – 376 с.
6. Захарова Г.С., Волков В.Л., Ивановская В.В., Ивановский А.Л. Нанотрубки и родственные структуры оксидов металлов. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 240 с.
7. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры: Пер. с англ. / Под ред. Ж.И.
Алферова, Ю.В. Шмарцева. М.: Мир, 1989.
Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса на сайте www.nanoobr.ru
«