2.3   Нанохимия

         Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Туннельный эффект - квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Основой изобретенного микроскопа  является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку.

Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения используются в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более производство DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

Нанохимия - это синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической  деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.

Ниже перечислены направления исследований в нанохимии:

- разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов;

- изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях. Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.

- разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.

- получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.

- изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.

- исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.

Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий:

- методологию изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы.

- новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики;

- оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия.

- методологию предотвращения химической деградации технических наноструктур;

- методики прогноза химической деградации.

- нанолекарства для терапии и хирургии, препараты  на основе гидроксиапатита для стоматологии;

- способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля.

- методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;

- методики регулирования пространственной организации наноструктур.

- новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.

   2.4 Фемтохимия

Фемтохимия исследует время движения реагирующих систем на потенциальной поверхности и вводит в химию экспериментальную химическую динамику как высшую, элитарную часть химической кинетики.

Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило крупный прорыв в фемтохимию; это новая химия, детектирующая химические события в масштабе ультракоротких времён 10-15-10-14 с (1-10 фемтосекунд). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10-13-10-11 с). Благодаря такому соотношению времён фемтохимия «видит» саму химическую реакцию - как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов.

В частности, фемтохимия занимается изучением переходного состояния химической реакции. Переходное состояние – это область межатомных расстояний, лежащая на пути от реагентов к продуктам, в которой система проходит через такие структуры, которые уже нельзя назвать реагентами, но ещё нельзя считать продуктами. Временная эволюция конфигурации атомов называется динамикой переходного состояния. Так как время пребывания молекулярной системы в переходном состоянии составляет всего порядка 100 фс, то до появления соответствующих инструментов исследователям приходилось восстанавливать его динамку, изучая кинетики реагентов и продуктов. Этих данных оказалось недостаточно для однозначного восстановления последовательности событий. Лишь с открытием в недавнем времени лазеров, изучающих ультракороткие импульсы длительностью 100 фс, появились новые экспериментальные возможности:

- при длительности импульса τ = 10-14 с и скорости атома v = 105 см/с детектируются изменения расстояний в молекулярной системе на 0.1 Å, что позволяет с хорошей точностью проследить временную эволюцию конфигурации ядер;

- Вследствие когерентности импульса возможно когерентное возбуждение нескольких колебательных или вращательных состояний молекулы с определёнными относительными фазами движения атомов.

Такой тип возбуждённых состояний называется когерентным ядерным волновым пакетом.

- При энергии 1 мкДж импульса длительностью τ = 10-14 с, пиковая мощность равна P = 100 МВт, поэтому можно легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, получая высоковозбужденные молекулярные системы. Под действием таких импульсов на вещество генерируются импульсы света в широком спектральном диапазоне (суперконтинуум), рентгеновского излучения и электронов.

Этот крупный прорыв в современной химии открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки -   фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии (ППЭ) и т.д.

Основные направления этих новых областей исследований – это исследования детальных микроскопических химических и биологических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени.

   2.5 Синтез фуллеренов и нанотрубок

Фуллерены и нанотрубки — это об­ширные классы интереснейших нано­структур. Например, среди фуллере­нов известно множество частиц и изо­меров от малых (С20, С28) до гигант­ских (С240, С1840) с совершенно различ­ными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.

Синте­зированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кри­сталлов. Например, фуллерен С28 име­ет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза — гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (ок­сидов, дихалькогенидов металлов и прочих), по своей структуре подобных фуллеренам.

Из нанотру­бок получают очень интересные мате­риалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из пе­реплетенных, подобно растительным во­локнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. Если вспомнить, что прочность нанотрубок в 50-100 раз больше, чем у стали, то становится понятно, что подобные изобретения человечеству весьма пригодят­ся. Найдены вполне реальные облас­ти применения нанотрубок — напри­мер, в плоских дисплеях (фирма «Mo­torola»), которые превосходят плаз­менные и жидкокристаллические ана­логи, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10-15 г) - в час­тности, вирусы.

2.6 Химия одиночной молекулы

Сегодня ученые могут увидеть и распознать одну молекулу и даже манипулировать ей. Новое знание позволяет, например, увидеть поверхностные комплексы, катализирующие многие процессы. А главное, что можно уже не только увидеть, но и манипулировать молекулами, и моделировать из них разные наноструктуры.

Основное в химии одиночных молекул - анали­тические методы. Сканирующий электронный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 году, и тог­да же во многих научных центрах начали актив­но развиваться методы, с помощью которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все было подсчитано и пред­сказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы по­лучить первый колебательный спектр одной ад­сорбированной частицы.

Рисунок 1 – Сканирующая туннельная микроскопия

Идея сканирующей туннельной мик­роскопии проста (рис. 1) -  игла туннель­ного микроскопа направлена на моле­кулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иг­лой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не пе­рекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-ко­лебательными уровнями адсорбиро­ванной молекулы, и происходит рез­кий скачок проводимости. Значение на­пряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго инди­видуально для каждой молекулы, а по­тому дает ее точный «портрет».

Безусловно, улучшается качество знания и его точ­ность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожи­данные знания. Например, гетероген­ный катализ и биологическое подраз­деление химии ожидает подъем имен­но на базе новых технологий.

Хи­мия одиночных молекул - это в пер­вую очередь инструмент для управле­ния химическими реакциями, а также для создания новых высоких молеку­лярных технологий.

Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необ­ходимо для создания молекулярных конструкций — элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное дости­жение химии одиночных молекул.

Если подытожить все, что уже на­учились делать с отдельными молеку­лами, то получится весьма внушитель­ный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее перехо­дить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертика­ли - с иглы на поверхность и обрат­но); помещать в нужное место и раз­рывать. Зачастую все эти манипуля­ции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряже­ния.

Сканирующие туннельные микро­скопы и родственные им приборы ис­пользуют в качестве рабочих инстру­ментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекорд­ную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную спо­собности. Можно направленно изме­нять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, элек­троники, техники и медицины.

2.7 Электровзрывная активация пульпы и растворов

Применение электровзрывной активации пульпы и растворов является перспективным направлением интенсификации процессов пе­реработки минерального сырья и очистки сточных вод, повышающим степень извлече­ния ценных компонентов при снижении отри­цательного воздействия производства на окру­жающую среду.

На широком экспериментальном материа­ле изучено влияние импульсных полей взрыв­ного типа на изменение физико-химических свойств минеральных продуктов и водных растворов. Даны электрические и гидродина­мические характеристики процесса электро­взрывной обработки водных гетерогенных рас­творов. Установлено влияние ЭВА на измене­ние структурных и физико-химических свойств сульфидных и окисленных минералов.

Анализ проведенных  исследований позволяет сделать следующие выводы:

-кратковременное импульсное воздейст­вие высоковольтным разрядом большой мощ­ности способствует разупрочнению руды и создает условия для качественной пульпоподготовки при сокращении времени измельче­ния руды на 10... 15 мин по сравнению с из­
мельчением без ЭВА;

-технологические особенности электро­взрывной пульпоподготовки необходимо рас­сматривать во взаимосвязи с основными гид-­
родинамическими характеристиками процесса; для процесса ЭВ пульпоподготовки сущест­венную роль играют послеразрядные явления и вторичные волны сжатия;

-ЭВА интенсифицирует процессы сгуще­ния промпродуктов в 2,5— 3 раза и сокращаетвремя осветления коллоидных частиц, содержащихся в сточных водах предприятий;

-под действием ЭВ наблюдается деструк­тивное разрушение токсичных органических реагентов, присутствующих в сточных водах многих химических предприятий; совмеще­ние ЭВ с аэрацией диспергированным возду­хом или озоно-кислородной смесью позволя­ет эффективно осуществить очистку от таких токсичных соединений, как цианиды, фено­лы, фурфурол.

Рассмотрены перспективы применения ЭВА в различных химических технологиях пе­реработки минерального сырья. Созданы и прошли испытания в промышленных услови­ях электровзрывные установки для активации минеральных пульп на Кентауской обогати­тельной фабрике и Норильском ГМК, по ос­ветлению растворов на ОАО "Красноярский алюминиевый завод" и ОАО "Ачинский гли­ноземный комбинат", по очистке сточных вод на ОАО "Ачинский нефтеперерабатывающий завод", ОАО "Красноярский биохимзавод", Красноярский химкомбинат "Енисей".

Список литературы

1. Бутин К.П. Механизмы органических реакций:  достижения и перспективы - Российский химический журнал,  сер.2, том XLV, 2001, №2

2. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения  и прогнозы – Успехи химии, 1999, том 68, с. 85-1

3. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной органической химии – Соросовский Образовательный Журнал,  1996

4. Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия – Успехи    химии 2001, т.70, №6, с.515-538

5. Сумм Б.Д.,Иванова Н.И. Коллоидно-химические аспекты  нанохимии от Фарадея до Пригожина – Вестник Московского Университета, Химия 2001, том 42, №5, с.300-305

6. Шепелев И.И., Твердохлебов В.П. Электровзрывная обработка водных пульп и эмульсий – Химичеякая технология, 2001 ℀1, с. 2-14, №2 с.3-18.

7. Благутина В.В. Химия одиночных молекул – Химия и жизнь, 2004, № 9, с.14-19.

8.  Ивановский А.Л. Фуллерены и нанотрубки - Химия и жизнь, 2004, № 8, с.20-25.

9. Бучаченко А.Л. Спиновая химия - Химия и жизнь, 2004, № 3 с.8-13.

Страницы: 1, 2