<<
>>

Объекты нанохимии. Классификации наночастиц

  Поскольку нанохимия — наука сравнительно молодая, пока нет ни единой терминологии, ни классификации того, что она изучает. Более того: можно сказать, что классификаций столько же, сколько ученых.
Относительно общепризнанным считается, что нанохимия исследует получение и свойства различных наносистем.

Под наносистемой здесь понимается взвесь наночастиц размером не более 100 нм в некоторой среде. При этом сами наночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще [6] более мелких единиц — кластеров — минимальных строительных “кирпичиков” вещества. Размер кластера не превышает 10 нм. Именно на уровне кластеров активно проявляются всевозможные квантовые эффекты.

В науке было немало попыток классифицировать объекты нанохимии. Следующая таблица поможет вам не запутаться в определениях:

Фазовое

состояние

Единичные

атомы

Кластеры

Наночастицы

Компактное

вещество

Диаметр, нм

0,1-0,3

0,3-10

10-100

свыше 100

Кол-во атомов

1-10

10-106

106-109

свыше 109

Табл. 6. Объекты нанохимии

Итак, примерами наносистем могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Такой подход позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии, а верхняя граница — это такое количество атомов в объекте, дальнейшее увеличение которого ведет к потере специфических свойств наночастицы — они становятся аналогичными свойствам компактного вещества. Количество атомов, определяющих верхнюю границу, индивидуально для каждого вещества.

По геометрическому признаку (мерности) нанообъекты можно классифицировать с разных точек зрения.

Одни исследователи предлагают характеризовать мерность объекта количеством измерений, в которых объект имеет макроскопические размеры. Другие берут за основу количество наноскопических измерений. Мы попробуем ввести классификацию, интегрирующую оба подхода:

Характеристики

объекта

Количество

измерений

менее 100нм

Количество

измерений

более 100нм

Примеры

Все три размера (длина, ширина и высота) менее 100 нм

3-мерный

объект

0-мерный

объект

фуллерены, квантовые точки, коллоидные растворы, микроэмульсии

Поперечные размеры менее 100 нм, а длина сколь угодно велика.

2-мерный

объект

1-мерный

объект

нанотрубки, нановолокна, нанокапилляры и нанопоры

Классификация нанообъектов по их мерности важна не только с формальной точки зрения. Геометрия существенно влияет на их физико-химические свойства.

В зависимости от вещества, формы кластеров и типа связи между атомами существует величайшее множество нанообъектов. Вот некоторые из них:

Частицы из атомов инертных газов

Это самые простые нанообъекты. Атомы инертных газов с полностью заполненными электронными оболочками слабо

взаимодействуют между собой посредством сил Ван-дер-ваальса.

При описании таких частиц с достаточно хорошей точностью применима модель твердых шаров. Энергия связи, то есть энергия, затрачиваемая на отрыв отдельного атома от такой наночастицы, очень мала, поэтому они существуют при температурах не выше 10-100 К.

Частицы металлов

В металлических кластерах из нескольких атомов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов.

Наночастицы металлов обычно принимают правильную форму - октаэдра, икосаэдра, тетрадекаэдра.

Фуллерены

Как уже говорилось в первой главе, фуллерены представляют собой полые внутри частицы, образованные многогранниками из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Это недавно открытая природная форма углерода, существующая наряду с уже хорошо известными графитом и алмазом.

Особое место среди фуллеренов занимает частица из 60 атомов углерода — С60, напоминающая микроскопический футбольный мяч.

Фуллерены находят широкое применение, как то: создание новых смазок и антифрикционных покрытий, новых типов топлива, алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости, датчиков и красок.

Нанотрубки

Нанотрубка — это полая внутри молекула, состоящая из порядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой однослойную трубку диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Рис 66 Молекула однослойной нанотрубки

Нанотрубки обладают рядом уникальнейших свойств, которые подробно рассматривались в первой главе. Благодаря им нанотрубки находят большое число областей применения, преимущественно в создании новых материалов, электронике и сканирующей микроскопии.

Уникальные свойства нанотрубок — высокая удельная поверхность, электропроводность, прочность — позволяют создавать на их основе эффективные носители катализаторов для различных процессов. Например, из нанотрубок делают новые источники энергии — топливные ячейки, способные работать в 3 раза дольше, чем простые батарейки аналогичного размера.

При использовании подобной ячейки в сотовом телефоне он сможет находиться в режиме ожидания около двух недель — вместо 4 дней, как нынешнее поколение телефонов.

Рис 67. СТМ-изображения матриц углеродных нанотрубок, выращенных на подложке из пористого (а) и гладкого (б) кремния

Топливная ячейка заправляется метиловым спиртом, который в ходе реакции расщепляется на кислород и водород, и в результате выделяется тепло и электричество. Эффективность же этого процесса зависит от размера катализатора, а потому наночастицы платины, нанесенные на нанотрубки, служат отличным катализатором.

Компания NEC начала выпуск ноутбуков со встроенной топливной ячейкой в начале 2005 года. Пока что время автономной работы этого ноутбука составляет около пяти часов, однако к 2006 году инженеры планируют уыеличить его до 40 часов. В настоящее время разработками топливных ячеек заняты многие компании, такие как Motorola, Casio, Sony, Hitachi и Samsung.

Удивительные свойства нанотрубок помогают им накапливать и хранить водород — экологичное топливо автомобилей будущего. Для выработки электроэнергии в двигателях на топливных ячейках используется реакция водорода (H2) и кислорода (O2). При этом выхлоп автомобиля состоит из водяного пара (H2O). Раньше производители не могли и помыслить о таких автомобилях, потому что водород — самый легкий в мире газ, и несколько килограмм водорода — это уже огромный баллон. Ни за какие коврижки автолюбители не стали бы таскать с собой гигантский пузырь и надувать его на бензоколонках.

Но нанотрубки с наночастицами палладия могут компактно хранить водород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают автомобили более мощными, дешевыми и экологичными.

Компания Toyota еще в 2001 приступила к испытаниям такого автомобиля. Ожидается, что к 2010 году японские компании выпустят 50.000 машин на топливных ячейках, а к 2020 году - уже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells и ChevronTexaco открыли в Калифорнии экспериментальную водородную станцию, которая будет заправлять 5 машин Hyundai и Kia на водородных топливных ячейках.

Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позволит хранить в них в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в современных батарейках. Как же она там поместится? Очень просто. В «квантовой» главе мы упоминали формулу E=mc2, выведенную Эйнштейном. Многие ее видели, но далеко не все понимают ее смысл. А она попросту отражает взаимосвязь между материей и энергией или, проще говоря, то, что можно превращать энергию в вещество и наоборот — вещество в энергию.

Согласно этой формуле, например, в хомячке весом 0,11 кг содержится 0,11^(300.000.000)2 = 1016 Дж энергии, то есть в сто раз больше, чем выделяется при атомном взрыве! Почему же хомячок отнюдь не взрывоопасен и порой даже флегматичен? Потому что энергию из вещества получить крайне сложно. Даже в атомных электростанциях в энергию превращается только тысячная доля массы. В термоядерных реакциях, происходящих на Солнце, в энергию превращается уже 1% вещества. И только при столкновении с антивеществом материя освобождает свою полную энергию.

Так вот, наше Солнце представляет собой огромную термоядерную водородную топливную ячейку. Если при сгорании водород превращается в воду, соединяясь с кислородом, то в термоядерной реакции два атома водорода превращаются... в атом гелия, разумеется, с выделением огромной энергии. Если химические реакции изменяют молекулы, перемещая атомы, то термоядерные реакции реализуют мечту средневековых алхимиков, превращая одни химические элементы в другие (как вы уже, наверное, догадались, этим мы обязаны перемещениям субатомных частиц).

С их помощью ученые даже получили золото из свинца, однако разбогатеть на этом им не удалось — термоядерная установка для получения одного нанограмма золота стоит дороже нескольких вагонов, набитых золотыми слитками.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Однако есть все основания полагать, что нанотехнология сделает термоядерные приборы компактными и дешевыми. Тогда в каждой «пальчиковой» батарейке будет гореть миниатюрное солнышко, автомобили смогут годами ездить без дозаправки водородом, а сотовому телефону и ноутбуку зарядное устройство вообще не понадобится. Подобную топливную ячейку многие читатели наверняка видели в фильме «Терминатор-3», когда выброшенная роботом сломанная батарейка взорвалась как атомная бомба.

Ионные кластеры

Ионные кластеры представляют собой классическую картину, характерную для иллюстрации ионной связи в кристаллической решетке NaCl. Если ионная наночастица достаточно велика, то ее структура близка к структуре объемного кристалла. На рисунке изображен типичный пример ионной частицы с химической формулой NaC Такие ионные соединения находят применение в создании фотопленок с высоким разрешением, молекулярных фотодетекторов, различных областях микроэлектроники и электрооптики.

Фрактальные кластеры

Фрактальным называется объект с разветвленной структурой. Таковы сажа, коллоиды, различные аэрозоли и аэрогели. Фрактал — это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно увидеть, как одна и та же структура повторяется в нем на всех уровнях и в любом масштабе.

Молекулярные кластеры

Большинство кластеров являются молекулярными. Их число и разнообразие огромны. В частности, к молекулярным кластерам относятся многие биологические макромолекулы. На рисунке 70 изображена молекула белка — ферредоксина.

В таблице приведены примеры различных наночастиц и

наносистем - объектов изучения нанохимии.

Наночастицы

Наносистемы

Фуллерены

Кристаллы, растворы

Нанотрубки

Агрегаты, растворы

Молекулы белков

Растворы, кристаллы

Полимерные молекулы

Золи, гели

Неорганические нанокристаллы

Аэрозоли, коллоидные растворы

Мицеллы

Коллоидные растворы

Наноблоки

Твердые тела

Пленки Ленгмюра-Блоджетт

Тела с пленкой на поверхности

Кластеры в газах

Аэрозоли

Наночастицы в слоях веществ

Наноструктурированные пленки

Табл 8. Основные объекты нанохимических исследований

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Объекты нанохимии. Классификации наночастиц:

  1. Введение
  2. Объекты нанохимии. Классификации наночастиц