Слайд 1Нанохімія та нанотехнології
Лекція 1. Вступ до нанохімії та нанотехнології
Історія
виникнення нанонаук
Класифікація наноматеріалів
Критерії віднесення до наносистем: розмірний ефект та функціональні
особливості
17.02.2016
Nanoscience is not Physics, Chemistry, Engineering or Biology. It is all of them.
S.M. Lindsay, Introduction to Nanoscience,
Oxford University Press (2009)
Слайд 2Нанохімія та нанотехнології:
структура курсу
Лекції
Лекційна
контрольна
робота
10 балів
Практичні
заняття
50 балів
Іспит
40 балів
100 балів
27
квітня
2016 року
Слайд 3Нано - вимір
Нано- від грец. νᾶνος, nanos — гном, карлик
Нанонаука
– міждисциплінарна область фундаментальної та прикладної науки, що працює з
об'єктами розміром 1-100 нм
Чому розмір для нанооб'єктів настільки важливий?
Чи дійсно нанохімія – нова наука?
3. Як нанотехнології можуть вирішити проблеми сьогодення?
Слайд 4Нано - вимір
1.27 × 107 m
0.22 m
0.7 × 10-9 m
C60
12,756
Km
22 cm
0.7 nm
у 10 мільйонів разів менше
У мільйон разів
менше
Слайд 5Нано - вимір
ЛЮДИНА
МІКРО
ПІКО
Клітина
Вірус
Атом
Протон
Малодосліджені глибини
Око
Світловий мікроскоп
Електронний мікроскоп
Слайд 6Молода наука: етапи розвитку
1. Визнання нової парадигми, при якій одна
ідея пов'язує ряд несумісних явищ та фактів;
2. Поява інструментів, якими
можна досліджувати нові об'єкти;
Три умови появи нової науки:
3. Готовність наукової спільноти сприйняти нову парадигму.
Слайд 72
Історія нанотехнологій
2000 до н.е. –фарбування волосся наночасточками галеніту (PbS), Египет;
1000
до н.е. – додавання наночасточок золота до складу скла -
вітражі
1959 – “There is plenty of room at the bottom” by R. Feynman
1974 – “Nanotechnology” – вперше використано термін японським вченим Taniguchi
1981 – IBM створено перший тунельний скануючий мікроскоп
1985 – відкриття фулерену.
1986 – “Engines of Creation”– перша книга з нанотехнології K. Eric Drexler.
1989 –створено логотип IBM окремими атомами
1991 – відкрито вуглецеві нанотрубки S. Iijima
1999 – “Nanomedicine” – 1st nanomedicine book by R. Freitas
2000 – розпочато програму “National Nanotechnology Initiative”
2004 – одержання графену;
2010 – Нобелівська премія з фізики за відкриття графена А.Гейму, К.Новосьолову
2014 - Нобелівська премія з хімії за створення флуоресцентної мікроскопії вискої роздільної здатності Е. Бетциг, У. Мьорнер, Штефан Хелль
Слайд 8Скільки років нанотехнології?
2000 до н.е. – фарбування волосся наночасточками галеніту
(PbS), Египет;
1000 до н.е. – додавання наночасточок Au до складу
скла - вітражі
R. Feynman,1956
1981, IBM перший скануючий тунельний мікроскоп
1985, синтез фулерена
“Несвідома”
нанотехнологія
Слайд 9Розмір часточок, нм
Залежність Тпл золота від розміру часточок
Lai et al.
(Applied Physics Letters), 1998, v. 72:1098-1100).
Слайд 10Розмірно-залежні властивості: Тпл
Слайд 11Залежність активності каталізатора від розміру часточок у реакції окиснення СО
Розмірно-залежні
властивості: каталіз
Відносна активність каталізатора, у.о.
Діаметр часточок в реакції окиснення СО,
нм
Слайд 12Розмірно-залежні властивості:
оптичні властивості
Залежність зміни поглинання світла від розміру наночасточок
CdS – «блакитний зсув»
напівпровідник
наночасточка
Weller H. Colloidal semiconductor Q-particles: chemistry in
the transition region between solid state // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1993. V 32. P. 41–53.
Довжина хвилі, нм
поглинання
Слайд 13
Розмірно-залежні властивості:
флюоресценція
Флюоресценція розчинів колоідних часточок CdTe залежно від розміру.
Усі колби освітлюються зверху синім світлом однакової довжини хвилі
(дані
H. Weller, Institute of Physical Chemistry, University of Hamburg)
Слайд 14
Розмірно-залежні властивості: частка приповерхневих атомів
Частка приповерхневих атомів
Загальна кількість атомів
в часточці
Атоми в об'ємі
Атоми на поверхні
Розмірний ефект - комплекс явищ,
що ілюструють залежність хімічних, фізичних, або біологічних властивостей наночасточок від їх розміру
Слайд 15Особливості наносистем:
Поява нетрадиційних видів симетрії та особливих видів спряження розділу
фаз;
Перевага самоорганізації у процесах формування;
Висока хімічна активність та каталітична селективність;
Особливий
характер протікання процесів передачі енергії, заряду та конформаційних змін.
Слайд 16Причини розмірних ефектів
Значна частка приповерхневих атомів:
-Ненасиченість хімічних зв'язків;
-деформація
кристалічних граток;
-поверхневі механічні властивості;
-тонкі електронні взаємодії з поверхнею.
Збільшення об'ємної частки
межі розділу фаз
Нерівноважність меж доменів;
пружні далекодіючі напруги;
Деформація кристалічної гратки біля поверхні (до втрати дальнього порядку);
Підвищення мікротвердості.
- спрощена міграція атомів
- схильність до самоорганізації
Залежність процесів переносу від розміру
Квантові ефекти
Слайд 18Нанохімія: термінологія
Часточки з упорядкованою будовою та розміром 1-5 нм, що
містять до 104 атомів.
Часточки з розміром 5-100 нм, що містять
до 103 - 108 атомів.
Часточки складної форми та будови, розмір структурних елементів якої в межах 5-100 нм.
Матеріали з унікальними хімічними, фізичними властивостями, обумовлені присутністю нанорозмірних структурних одиниць.
Наночасточку визначає не розмір, а властивості!
Слайд 22Класифікація наноструктур
Наночасточки, квантові крапки
Нанотрубки, нановіскери
Тонкі плівки
Складні
системи
Слайд 23Нульвимірні наноструктури
Нанокластери – обмежені у просторі по трьом напрямкам:
Простих речовин
(C, Si, Ge, Sb, Bi, Au, Ag та ін.
Оксидні (
MgO, Al2O3, Ga2O3, SnO2, TiO2, ZnO)
Нітридні (BN, AlN, Si3N4)
Складнооксидні (Ba6Mn24O48, Bi2Sr2CaCu2OX)
Наночасточки в нанореакторах:
Нульвимірні (0D):
Кластери
наночасточки
Квантові точки
фулерени
Наночасточки в нанореакторах
Самоорганізовані наноструктури
Слайд 24Одновимірні наноструктури
Приклади тубулярних наноструктур:
Вуглецеві нанотрубки
«Неорганічні» нанотрубки: MoS2, BN, BeО, V2O5,
TiO2: (одно- та багатостінні)
Наностержні, нанонитки.
1D наноструктури – розмір в одному
напрямку значно перевищує розміри у двох інших, причому останні знаходяться в “нано” діапазоні.
Залежно від співвідношення розмірів виділяють:
Нановіскери та нанонитки (nanowires) Lc>>La≈ Lb
Наностержні (nanorods) Lc> La≈ Lb
Нанострічки (nanobelts) Lc >> La>Lb
Слайд 25Двовимірні наноструктури
Молекулярний конструктор Ленгмюра-Блоджетт
Двовимірні (2D):
Тонкі плівки
Плівки Ленгмюрра-Блоджет
Самоорганізовані шари
Нанопластини
графен
Слайд 26Нанокомпозити складної будови:
Інкапсульовані нанотрубки та фулерени
Нанокераміки
Наночасточки в нанореакторах
Тривимірні наноструктури
Слайд 27НаноОчікування
шум
час
Нова технологія
Позитивна
гіперболізація
Пік необґрунтованих очікувань
Негативна
гіперболізація
Мінімум
розчарувань
Плато продуктивності
Розвиток реакції суспільства на
нову технологію з часом
Слайд 29Короткі нотатки:
Нанохімія – наука, що вивчає процеси створення, дослідження та
розробки матеріалів, приладів та систем наномаштабних розмірів (1-100 нм) з
метою отримання матеріалів з якісно новими хімічними, фізичними та біологічними властивостями.
Нові властивості виникають завдяки розмірному ефекту - комплексу явищ, що ілюструють залежність хімічних, фізичних, або біологічних властивостей наночасточок від їх розміру.
Виявлено, що при зменшенні розміру наночасточок металів зменшується температура плавлення, смуги поглинання часточок напівпровідників зсуваються в блакитну область, а потенціал іонізації для нанокластерів металів зростає.
Належність об'єкта до нанохімії та нанотехнології визначає не його розмір, а незвичайні властивості.
Нанооб'єкти класифікують за “мірністю” як:
0D – фулерени, квантові крапки;
1D – нанотрубки, нановіскери;
2D – тонкі плівки, плівки Ленгмюрра - Блоджет
3D – наночасточки в нанореакторах, складні утворення.
Наноматеріали визнані перспективними в інженерії, оптиці, електроніці, каталізі та медицині.
Слайд 30Основна література:
Інтернет-ресурси:
http://www.nanometer.ru
http://www.nanonewsnet.ru/
http://www.rusnano.com
http://ipt.arc.nasa.gov
http://nanotechweb.org
1. Елисеев А.А., А.В. Лукашин. Функциональные наноматериалы – М.:
ФИЗМАТЛИТ – 2010. – 456с.
2. Волков С.В., Є.П. Ковальчук, В.М.Огенко,
О.В. Решетняк. Нанохімія, наносистеми, наноматеріали. Київ - Наукова думка -2008 - 424с.
3. Сергеев Г.Б. . Нанохимия. - М.: Издательство МГУ - 2003.
4. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологий – М.: Бином – 2010 – 431с.
5. Пул, Ч., Оуэнс. Ф. Нанотехнологии. М. -Техносфера -2004.
6. Суздалев И.П. Нанотехнологии: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: Комкнига – 2006 – 592с.
7. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы: Учеб.пособие/ Р.А.Андриевский, А.В. Рагуля.-М.:Academia, 2005.-187с.
Слайд 32Література до лекції №1:
Shuwen Zeng, Dominique Baillargeat, Ho-Pui Ho and
Ken-Tye Yong Chem. Soc. Rev., 014,43, 3426-3452
2. Hangxun Xu, Brad W.
Zeiger and Kenneth S. Suslick, Chem. Soc. Rev., 2013,42, 2555-2567.
3. "Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties". Royal Society and Royal Academy of Engineering. July 2004. Retrieved 13 May 2011.
4. Lu Bai, Xiuju Ma, Junfeng Liu, Xiaoming Sun, Dongyuan Zhao, David G. Evans J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 2333–2337.
5. Gang Chen, Yong Wang, Li Huey Tan, J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 4218–4219.
6. Суздалев И.П., Суздадев П.И. Нанокластеры и нанокластерные системы. // Успехи Химии. 2001. Т.70. №.3. С.203-240.
7. Еремин В.В. Нанохимия и нанотехнология Лекции 1-4. М: «Первое сентября» – 2009 – 91.
8. Рыжонков Д.И., Дзидзигури Э.Л., Левина В.В. Наноматериалы, - Наноматериалы - Бином. Лаборатория знаний - 2010 – 365с.
