Кушхов Х.Б. Современные проблемы химии

Подождите немного. Документ загружается.

варианты нанохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плаз-

мохимические методы, электрохимические методы и некоторые другие.

Приведенное выше разделение методов отражает еще одну их особен-

ность: получение частиц путем укрупнения отдельных атомов, или подход

“снизу”, и различные варианты диспергирования и агрегации, или подход

“сверху”.

Подход “снизу” характерен в основном для химических методов полу-

чения наноразмерных частиц, подход “сверху” – для физических методов.

Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассмат-

ривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница

– это такое количество атомов в кластере, при дальнейшем увеличении кото-

рого уже не происходит качественных изменений химических свойств, и они

становятся аналогичными свойствам, например, компактного металла.

Методы исследования наночастиц

Размер и физико-химические свойства наночастиц тесно связаны и

имеют определяющее значение при изучении химических превращений. При

этом существуют некоторые различия в подходах к исследованиям свойств

частиц на поверхности и в объеме.

К основным методам определения размера и некоторых свойств нано-

частиц в газовой фазе относятся следующие:

- ионизация фотонами и электронами с последующим анализом по-

лучаемых масс-спектров на квадрупольном и времяпролетном масс-

спектрометре;

- электронная просвечивающая микроскопия на сетках (информация

о размере и форме частиц).

Для получения информации о частицах и на поверхности используются:

- просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия (ин-

формация о размерах и форме частиц, их распределении и топологии);

- дифракция электронов (информация о размере, фазе – твер-

дая\жидкая, о структуре и длине связи);

- сканирующая туннельная микроскопия (определение размера, фор-

мы частицы и внутренней структуры);

- адсорбция газов (информация о площади поверхности);

- фотоэлектронная микроскопия (определение электронной структуры);

- электропроводность (информация о зоне проводимости, перколя-

ции, топологии);

- методы ЭПР и ЯМР (информация об электронной структуре).

Наночастицы в науке и технике

Катализ на наночастицах.

Использование наночастиц металлов для

создания новых катализаторов продолжает привлекать пристальное внимание

исследователей. Горение метана на воздухе стабильно при температуре выше

1300 °С. Однако при этих температурах выделяются вредные оксиды азота,

возникает смог. В этой связи актуален поиск новых катализаторов окисления

метана. Так твердый кристаллический наноразмерный гексаалюминат бария

показал высокую каталитическую активность в реакции горения метана,

обеспечивающего горение метана при 400 °С. При модификации оксидом

церия получен композит, обеспечивающий горение метана при температуре

ниже 400 °С. Высокую каталитическую активность наночастиц, состоящих из

металлического ядра (золото) и внешней оболочки (молекулы декантиолов) по-

казали в процессе окисления оксида углерода. Каталитическое окисление оксида

углерода применяется для очистки воздуха, конверсии автомобильных выхлопов,

в технологии топливных элементов. Железосодержащие наночастицы, стабили-

зированные в полимерных матрицах, использовались в процессе алкильной изо-

меризации дихлорбутанов. Наночастицы Рd

(1£n£30), нанесенные на тонкие

пленки МgO катализируют циклотримеризацию ацетилена в бензол.

Реакции оксидов.

С участием наночастиц оксидов металлов в послед-

нее время осуществлен ряд реакций, представляющих интерес для нанохи-

мии. Высокая активность нанокристаллических оксидов металлов была реа-

лизована в реакциях с соединениями, используемыми в качестве химического

оружия. Нанокристаллические оксиды магния и кальция легко взаимодейст-

вуют с фосфорорганическими соединениями (нервно-паралитические веще-

ства) и полностью превращают токсичное соединение в нетоксичное. Нанок-

ристаллические оксиды щелочно-земельных металлов успешно можно ис-

пользовать для дезактивации иприта и других боевых отравляющих веществ.

Наночастицы оксидов кобальта, никеля, меди и железа с размером 1-5 нм яв-

ляются перспективными материалами для изготовления электродов в литие-

вых батареях.

Получены и детально исследованы такие новые нанокристаллические

гибридные материалы типа ядро-оболочка, как TiO

и MoO

. В полученных

материалах энергия фотопоглощения коррелирует с размером частиц. При

уменьшении размера частиц TiO

– MoO

от 8 до 4 нм энергия поглощения

уменьшалась от 2,9 эВ до 2,6 эВ. Полученные материалы более эффективны в

фотокаталитическом окислении альдегидов по сравнению с обычно исполь-

зуемым оксидом титана производства фирмы Дегасса (Франция).

Полупроводники и сенсоры. Оптические преобразователи.

Полупро-

водниковые наночастицы широко используются в гетерогенном катализе, они

также представляют интерес для лазерной техники, при изготовлении пло-

ских дисплеев, светоиспускающих диодов и сенсоров. Огромным прорывом в

нанотехнологии явилось создание гетероструктур с пространственным огра-

ничением носителей заряда, возникающих в результате спонтанной самоор-

ганизации наноструктур на поверхности полупроводниковых систем. Спон-

танное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозон-

ных полупроводников в широкозонной матрице. Особенно впечатляющи

размерные эффекты в полупроводниковых нанокристаллах, размер которых

меньше боровского радиуса экситона. В таких нанокристаллах (квантовые

точки) квантовое течение электронно-дырочной пары в ограниченном объеме

приводит к увеличению ширины запрещенной зоны по мере уменьшения

размера кластера. Это означает, что с уменьшением размера кластера реком-

бинационная люминесценция сдвигается в голубую область (высокие энер-

гии). Яркий пример – нанокристаллы CdSe, “одетые” одним-двумя моно-

слоями ZnS. Кластеры золота (наностержни) при когерентном возбуждении

электронного газа флуоресцируют с квантовым выходом в 10

раз выше, чем

металлическое золото; при этом квантовый выход пропорционален l

(l-длина

наностержня).

Нанотрубы.

Интересно развивается химия и физика нанотруб. Разрабо-

тано множество методов и технологий синтеза этих частиц – электродуговой

разряд, лазерно-термическая абляция, синтез в пламени, пиролиз углеводоро-

дов. На сегодняшний день наилучшим является пироллитический метод син-

теза нанотруб из СО, СН

, С

, на поверхности адсорбента с нанесен-

ным катализатором.

Уже разработаны методы непрерывного и крупномасштабного произ-

водства нанотруб с контролируемой скоростью роста и регулируемыми диа-

метром и длиной.

В создании управляемой архитектуры нанотруб уже достигнуты значи-

тельные успехи. Для получения многослойных нанотруб заданной архитекту-

ры была использована подложка из пористого кремния с субмикронными

порами, обработанного электрохимически в растворе HF – MeOH.

Наноконтакты

– наиболее слабое место в нанотехнологиях. На уровне се-

годняшнего опыта видны два пути к формированию архитектуры наноконтактов:

через механизмы выращивания нанотруб и через манипулирования трубами.

Большой интерес представляет заполнение нанотруб металлами с це-

лью получения металлических проводников – нанопроволок, покрытых угле-

родной “одеждой”. При этом нанотруба не просто формирует нанопроволоку,

но и предохраняет ее от окисления и разрушающего действия других агрес-

сивных сред.

Ясно, что такие нанообъекты с позиций высоких технологий являются

предметом особого внимания. Недавно был получен новый тип нанопроволо-

ки – нанокабель, в котором внутренний проводник – железный стержень

толщиной около 10 нм и длиной порядка микрона – “одет” боронитридной

трубой диаметром около 50 нм.

Замечательная особенность этих нанокабелей состоит в том, что между

BN- оболочкой и железным стержнем имеется углеродная прослойка, которая

сохраняет железо в восстановленном состоянии и обеспечивает прочное со-

единение металла с керамической оболочкой.

Пожалуй, наиболее широкое применение нанотрубы нашли в качестве

полевых эмиттеров, а также как молекулярный диод. Весьма интересны

сверхпроводимость нанотруб и их использование в криоэлектронике. Прини-

мая во внимание миниатюрность электронных наноустройств и необременитель-

ность расходов на их охлаждение, можно считать, что сверхпроводимость нанот-

руб, наноконтактов, нанопроволок, даже если она появляется при очень низких

температурах, может быть практически освоена в наноэлектронике.

Нет сомнений в том, что в будущем нанохимия будет иметь большое

значение в создании металлических, полупроводниковых, ферромагнитных

нанопроволок, нанопоршней, наношприцев, нанонасосов (например, для кле-

точной биологии), наноконденсаторов с переменной емкостью, нанопинцетов

и других устройств.

Таким образом, нанохимия имеет значимые перспективы, многие из

них уже реализуются, другие ожидают своей очереди. И хотя делать прогно-

зы это все равно, что при рождении человека написать ему мемуары, а потом

заставить жить его по ним, можно смело утверждать, что нанохимия и нано-

технология займут в будущем такое же место, как и химия живого.

Литература

1. Бучаченко А.Л. Успехи химии // 1987, 57. – С. 1593-1609.

2. Смирнов В.В. Проблемы и достижения в области наноматериалов.

НИФХИ им. Л.Я. Карпова. – Москва, 2002. – С. 351. – Т. 2.

3. Львов А.Л. Химические источники тока // Соросовский образова-

тельный журнал. 1998, № 4. – С. 45-49.

4. Сидоров Л.Н. Газовые кластеры и фуллерены // Соросовский обра-

зовательный журнал. 1998, № 3. – С. 65-71.

5. Dresselhause M.S Dresselhause G., Eklund P.C. Science of Fullerenes

and Carbon Nanotubes. Boston etc: Acad. Press San Diego, 1996., 375

6. Бучаченко А.Л. Успехи химии // 1999, 68. Вып. 2. – С. 99-117.

7. Легасов В.А., Бучаченко А.Л. Успехи химии // 1986, 55 с. 1949., 1961.

8. Harris. Carbon Nanotubes and Related Structures. Cambridge. Univer-

sity Press. Cambridge. 1999., 215 р.

9. Андриевский Р.А. Получение и свойства нанокристаллических ту-

гоплавких соединений // Успехи химии. 1994. 63. Вып. 5. – С. 431- 448.

10. Ивановский А.И. Неуглеродные нанотрубки: синтез и моделирова-

ние // Успехи химии. 2002. 71. №3. – С. 203-224.

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция № 1. Химия на рубеже веков – свершение и прогнозы 3

Лекция № 2. Химическая структура и функция 6

Лекция № 3. Управление химическими процессами 9

Лекция № 4. Молекулярная и надмолекулярная организация химических

процессов. Химия в микро- и макрореакторах 13

Лекция № 5. Химическое материаловедение 16

Лекция № 6. Керамика в прошлом, настоящем и будущем 18

Лекция № 7. Химическая технология 24

Лекция № 8. Химия в экстремальных и экзотических условиях 29

Лекция № 9. Проблемы химической энергетики 33

Лекция № 10. Нанохимия прямой путь к высоким технологиям нового века 38

Литература 45

УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

Кушхов Хасби Билялович

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ

КУРС ЛЕКЦИЙ

Редактор Л.М. Хакулова

Компьютерная верстка Е.Х. Гергоковой

Корректор Е.Г. Скачкова

Изд. лиц. Серия ИД 06202 от 01.11.2001.

В печать 13.11.2003. Формат 60х84

. Печать трафаретная.

Бумага газетная. 2.79 усл.п.л. 3.0 уч.-изд.л.

Тираж 100 экз. Заказ № ______ .

Кабардино-Балкарский государственный университет.

360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

Полиграфическое подразделение КБГУ.

360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.