Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет

“ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

УТВЕРЖДАЮ

Ректор СПбГЭТУ

_ / Кутузов В. М. / Программа краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников высшей школы по направлению “ Нанотехнологии для систем безопасности ” на базе учебного курса

ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ НАНОМАТЕРИАЛОВ

(наименование учебного курса) Цель: ознакомление с химическими свойствами, методами получения, принципами функционирования и применения наноматериалов.

Категория слушателей преподаватели и научные работники высшей школы Примерный срок обучения 36 часов Форма обучения _с частичным отрывом от работы, дистанционно- очная Режим занятий 8 часов в день Задачей данного курса является изложение слушателям основных объектов и проблем химии наноматериалов. Рассматриваются методы получения, химические свойства мицелл, микроэмульсий, ленгмюровских молекулярных пленок, а также полимерных наноструктурированных материалов. Изложены основные проблемы и направления супрамолекулярной химии. Рассматриваются возможности применения наноматериалов и супермолекул в реакционных системах в качестве нанокатализаторов и нанореакторов.

Требования к уровню освоения учебного курса.

Преподаватели должны:

1. Знать:

• основные виды нанообъектов и наноматериалов, • физическую химию поверхности твердого тела, методы молекулярной динамики, термодинамику и кинетику межфазных границ;

• механизмы проявления химической активности наночастиц;

2. Иметь навыки:

• применять современные методы химии наносистем для анализа и прогнозирования структуры, состава физических и химических свойств наноструктурированных материалов • навыками проектирования элементов технологических циклов производств наноматериалов, нано- и микросистем с минимально допустимыми рисками для человека и окружающей среды;

3. Иметь представление:

• о применении наноструктурированных материалов • об основных проблемах и направлениях супрамолекулярной химии Научные работники должны:

1. Знать:

• основные виды нанообъектов и наноматериалов, • физическую химию поверхности твердого тела, методы молекулярной динамики, термодинамику и кинетику межфазных границ;

• механизмы проявления химической активности наночастиц;

2. Иметь навыки:

• применять современные методы химии наносистем для анализа и прогнозирования структуры, состава физических и химических свойств наноструктурированных материалов • навыками проектирования элементов технологических циклов производств наноматериалов, нано- и микросистем с минимально допустимыми рисками для человека и окружающей среды;

3. Иметь представление:

• о применении наноструктурированных материалов • об основных проблемах и направлениях супрамолекулярной химии Учебный курс «Введение в химию наноматериалов» состоит из дистанционной и очной частей.

Дистанционная часть учебного образовательного курса обеспечивает слушателя необходимым объёмом знаний по выбранной тематике, включая подготовку слушателя к проведению лабораторного практикума. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному посещению лабораторий в Санкт-Петербургском электротехническом университете.

В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены основные объекты и проблемы химии наноматериалов. Рассматриваются методы получения, химические свойства мицелл, микроэмульсий, ленгмюровских молекулярных пленок, а также полимерных наноструктурированных материалов. Изложены основные проблемы и направления супрамолекулярной химии. Рассматриваются возможности применения наноматериалов и супермолекул в реакционных системах в качестве нанокатализаторов и нанореакторов.

Теоретическая часть учебного курса состоит из шести лекций:

Лекция 1. Введение Определение понятий: нанонаука, нанотехнология, наночастица, наноструктура, нанохимия. Наноматериалы. Критерии определения наноматериалов: критический размер и функциональные свойства.

Различные подходы к классификации нанообъектов. Размерные эффекты в нанохимии. Кинетика реакций в маломасштабных системах. Нанохимические высокоэффективной очистки, избирательного синтеза и атомномолекулярной инженерии Лекция 2. Мицеллы и микроэмульсии мицеллообразования. Концентрированные дисперсии мицеллообразующих ПАВ. Мицеллообразование в неводных средах. Образование микроэмульсий.

Солюбилизация в растворах мицеллообразующих ПАВ. Критические микроэмульсиях.

Лекция 3. Ленгмюровские молекулярные пленки Монослои ПАВ. Перенос монослоев на твердые тела. Наращивание мультислоев Вещества, используемые для нанесения мультислоев.

Некоторые свойства ленгмюровских пленок. Получение упорядоченных Самоорганизованные коллоидные структуры.

Лекция 4. Полимерные наноструктурированные материалы Особенности термодинамики блок-сополимеров. Синтез полимеров контролируемой структуры. Микрофазное расслоение блок-сополимеров.

Мицеллообразование в блок-сополимерах. Агрегатные и фазовые состояния полимеров. Нанопористые полимерные материалы. Сополимеры с жесткими фрагментами. Структура сополимеров стержень—клубок. Полимернонеорганические нанокомпозиты.

Лекция 5. Супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли От молекулярной к супрамолекулярной химии. Направления супрамолекулярной химии. Самосборка: понятия и определения. Типы межмолекулярных взаимодействий. Молекулярные рецепторы: самосборка как функция. Рецепторы катионов. Краун-эфиры, криптанды, сферанды, кавитанды. Комплексы типа “гость–хозяин”. Анионная координадционная химия. Множественное распознавание. Политопные рецепторы.

Лекция 6. Катализ на наночастицах Наночастицы металлов в качестве катализаторов. Катализаторы на основе платины, палладия, золота, железа, молибдена, никеля. Высокая активность наночастиц, состоящих из металлического ядра и внешней оболочки. Биметаллические катализаторы. Наночастицы оксидов, как гетерогенные катализаторы. Частицы металла, нанесенные на тонкие пленки оксидов, как катализаторы. Влияние размера и природы металла на каталитическую активность. Супермолекулы в реакционных системах.

Нанореакторы. Катализ рецепторами катионов. Распознавание и катализ с участием гидрофобных взаимодействий. Супрамолекулярные металлокатализаторы.

Очная (экспериментальная) часть учебного курса предусматривает ознакомление с технологическим оборудованием для контроля содержания наноматериалов, определения их формы и размеров:

Лабораторная работа 1. Электрохимическое получение нанопористых материалов.

Лабораторная работа 2. Получение мультислойных органических структур методом Ленгмюра-Блоджетт Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится 23 и 13 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.

наноматериалов»

Лекция 1. Введение.

1. Наночастицами называют объектами, размеры которых менее:

пространства) существенно влияет на характер зависимостей, связывающих физические параметры:

A. принципу Эренфеста C. принципу неопределенности неустойчивой?

C. Углеродные нанотрубки D. Наноструктуры, формирующиеся интенсивной пластической Лекция 2. Мицеллы и микроэмульсии.

4. Обратные мицеллы ПАВ образуются в C. четыреххлористом углероде D. этиловом спирте 5. Мицеллы в водных растворах образуют A. уксусная кислота D. додецилсульфат натрия 6. На величину ККМ не влияет A. температура C. длина углеводородного радикала D. тип полярной группы E. концентрация электролита в растворе 7. Значение ККМ в неполярных растворителях повышается при A. увеличении длины радикала B. уменьшении длины радикала C. увеличении давления D. уменьшении давления 8. При увеличении длины углеводородного радикала молекулы ПАВ значение ККМ в водной среде A. возрастает 9. При увеличении концентрации электролита значение ККМ ионных ПАВ в водных растворах Лекция 3. Ленгмюровские молекулярные пленки.

10. К какому типу относят Пленки Ленгмюра-Блоджетт с симметричными неполярными слоями?

11. В каком случае возможно нанесение монослоя на подложку при ее извлечении из жидкости?

A. Набегающий и отступающий контактные углы тупые B. Набегающий и отступающий контактные углы острые C. Набегающий контактный угол острый, а отступающий - тупой D. Набегающий контактный угол тупой, а отступающий - острый 12. Пленки Ленгмюра-Блоджетт какого типа получаются в случае, если набегающий контактный угол тупой, а отступающий — острый?

Лекция 4. Полимерные наноструктурированные материалы.

13. Если включение звеньев в состав сополимера происходит в ходе неконтролируемого роста полимерных молекул в смеси сомономеров, такой полимер называется:

B. Статистический сополимер D. Градиентный сополимер 14. Как называется процесс полимеризации инициаторами, которой служат электрофильные агенты?

A. Анионная полимеризация B. Катионная полимеризация C. Свободно-радикальная полимеризация 15. Какое фазовое состояние нехарактерно для полимеров?

A. Высокоэластическое Лекция 5. Супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли.

16. Эффективное (кажущееся) притяжение между неполярными молекулами, проявляющееся при их попадании в полярный растворитель называется:

A. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия B. Донорно-акцепторное взаимодействие 17. Какой макроцикл образует наиболее прочный комплекс с ионами К+ :

18. Макроциклы какого класса не являются рецепторами катионов?

Лекция 6. Катализ на наночастицах 19. Какое из следующих утверждений не верно?

A. Катализаторы сами не вызывают химическую реакцию, а только ускоряют реакцию, которая протекает и без них.

B. Катализаторы не влияют на энергетический итог реакции.

C. В обратимых реакциях катализаторы ускоряют только прямую D. Катализаторы не влияют на положение равновесия обратимой реакции, а только ускоряют его достижение.

кислородом могут выступать:

A. Наночастицы золота C. Наночастицы платины D. Нанопористый кремний 21. Макроциклы какого класса имtют гидрофобную полость?

A. Циклодекстрины Контрольные вопросы для проверки материала Лекция 1. Введение.

1. Различные подходы к классификации нанообъектов. Размерные эффекты в нанохимии. Кинетика реакций в маломасштабных системах.

2. Нанохимические компоненты (сорбенты, катализаторы, насосы, реакторы) для высокоэффективной очистки, избирательного синтеза и атомно-молекулярной инженерии Лекция 2. Мицеллы и микроэмульсии.

3. Мицеллообразование в растворах ПАВ. Термодинамика мицеллообразования.

4. Концентрированные дисперсии мицеллообразующих ПАВ.

Мицеллообразование в неводных средах.

5. Образование микроэмульсий. Солюбилизация в растворах мицеллообразующих ПАВ.

6. Критические эмульсии. Лиофильные коллоидные системы в дисперсиях высокомолекулярных соединений.

7. Образование твёрдых частиц в микроэмульсиях.

Лекция 3. Ленгмюровские молекулярные пленки.

Наращивание мультислоев Вещества, используемые для нанесения мультислоев.

9. Ленгмюровские молекулярные пленки. Свойства ленгмюровских пленок.

10. Получение упорядоченных структур наночастиц. Самособранные монослои и мультислои.

11. Упорядоченные решетки наночастиц в коллоидных суспензиях.

Самоорганизованные коллоидные структуры.

Лекция 4. Полимерные наноструктурированные материалы.

12. Полимерные наноструктурированные материалы 13. Блок-сополимеры. Особенности термодинамики блоксополимеров. Синтез полимеров контролируемой структуры.

Мицеллообразование в блок-сополимерах. Агрегатные и фазовые состояния полимеров.

15. Нанопористые полимерные материалы.

16. Сополимеры с жесткими фрагментами. Структура сополимеров стержень—клубок.

17. Полимерно-неорганические нанокомпозиты.

Лекция 5. Супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли.

18. От молекулярной к супрамолекулярной химии. Направления супрамолекулярной химии.

19. Самосборка: понятия и определения. Типы межмолекулярных взаимодействий. Молекулярные рецепторы: самосборка как функция.

20. Рецепторы катионов. Краун-эфиры, криптанды, сферанды, кавитанды. Комплексы типа “гость–хозяин”.

21. Анионная координадционная химия.

22. Множественное распознавание. Политопные рецепторы.

Лекция 6. Катализ на наночастицах 23. Наночастицы металлов в качестве катализаторов. Катализаторы на основе платины, палладия, золота, железа, молибдена, никеля.

24. Биметаллические катализаторы.

25. Наночастицы оксидов, как гетерогенные катализаторы. Частицы металла, нанесенные на тонкие пленки оксидов, как катализаторы.

26. Влияние размера и природы металла на каталитическую активность.

27. Супермолекулы в реакционных системах. Нанореакторы.

28. Катализ рецепторами катионов.

взаимодействий.

30. Супрамолекулярные металлокатализаторы.

В конце очной части учебного курса слушатели готовят отчеты по темам контрольных рефератов, которые используются для контроля степени усвоения всего учебного курса на базе экспериментальных результатов и их обработки с применением знаний из дистанционной части курса.

Темы контрольных рефератов по курсу «Проблемы безопасности в наноиндустрии»

1. Мицеллообразование в водных и неводных растворах ПАВ.

микроэмульсий.

3. Получение органических нанокомпозиций на методом ЛенгмюраБлоджетт, особенности их структуры и применения.

применение блок-сополимеров.

применение нанопористых полимерных материалов 6. Полимерно-неорганические нанокомпозиты.

7. Молекулярное распознавание в супрамолекулярной химии.

8. Катализаторы на основе наночастиц металлов и их оксидов.

9. Супрамолекулярные катализаторы.

Учебно-тематический план микроэмульсии Ленгмюровские молекулярные пленки Полимерные наноструктурированн ые материалы супрамолекулярные ансамбли наночастицах Список литературы (основной и дополнительной), а также других видов учебно-методологических материалов и пособий, необходимых для изучения (конспектов лекций, видеолекций, лазерных дисков и др.).

Основная литература:

1. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Изд-во МГУ. 2003. 288 с.

2. Гусев А.И. Нанометриалы, наноструктуры, нанотехнологии. М:

ФИЗМТЛИТ. 2005. 416 с.

3. Рамбиди Н.Г.Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий. М: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 456 с.

4. Суздалев И.П. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига. 2006. 592 с.

5. Попов В.В., Саркисов П.Д., Шабанова Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов. М: Академкнига. 2007. 309 с.

6. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологии М.:

БИНОМ. Лаборатория знаний. 2008. 431 с.

7. Рыжонков Д. И., Лёвина В. В., Дзидзигури Э. Л. Наноматериалы:

учебное пособие – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. 365 с.

перспективы. — Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. — 333 с.

б) дополнительная литература:

1. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника-2008.

М.: Техносфера, 2008. 488 с.

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии: М.:

Физматлит, 2007. 416 с.

3. Сумм Б.Д., Иванова Н.И. Коллоидно-химические аспекты нанохимии – от Фарадея до Пригожина. // Вестн. моск. ун-та. Сер.2. Химия.

2001. Т.42. №5. с.300-305.

4. Nanomaterials and Nanochemistry edited by C. Brchignac, P. Houdy, M. Lahmani / Springer, 2008. 747 p.

Applications, 2 Volumes edited by C. N. R. Rao, A. Mller, A. K. Cheetham / WILEY-VCH: 2004. 761 p.

6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М.: Издательский центр «Академеия», 2005. – 192 с.

перспективы. — Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. — 333 с.

8. Стид Дж. В., Этвуд Дж. Л. Супрамолекулярная. М.: Академкнига, 2007. 896 с.