Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

более мелких единиц – кластеров – минимальных строитель ных “кирпичиков” вещества. Размер кластера не превышает 10 нм. Именно на уровне кластеров активно проявляются всевоз можные квантовые эффекты.

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

Табл. 6. Объекты нанохимии

Итак, примерами наносистем могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Такой под ход позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии, а верхняя граница – это такое количество атомов в объекте, дальнейшее увеличение которого ведет к по тере 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 иссле дователи предлагают характеризовать мерность объекта коли чеством измерений, в которых объект имеет макроскопические размеры. Другие берут за основу количество наноскопических измерений. Мы попробуем ввести классификацию, интегриру ющую оба подхода:

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Табл 7. Объединенная классификация оъектов нанохимии

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 нанообъек тов. 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 твер дых 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.

Рис 64. Возможные формы металлических наночастиц

134

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

Фуллерены

Как уже говорилось в первой главе, фул лерены 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.

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

Нанотрубки

Нанотрубка – это полая внутри молекула, состоящая из по рядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой од нослойную трубку диаметром около нанометра и длиной в нес колько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Рис 66 Молекула однослойной нанотрубки

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

Уникальные свойства нанотрубок – высокая удельная по верхность, электропроводность, прочность – позволяют созда вать 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.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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, кото рый 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 от личным катализатором.

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

Удивительные свойства нанотрубок помогают им накапли вать и хранить водород – экологичное топливо автомобилей бу дущего. Для выработки электроэнергии в двигателях на топлив ных 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 нанот рубки с наночастицами палладия могут компактно хранить во дород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают ав томобили более мощными, дешевыми и экологичными.

136

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

Компания Toyota еще в 2001 приступила к испытаниям та кого автомобиля. Ожидается, что к 2010 году японские компа нии выпустят 50.000 машин на топливных ячейках, а к 2020 го ду уже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells и ChevronTexaco отк рыли в Калифорнии экспериментальную водородную станцию, которая будет заправлять 5 машин Hyundai и Kia на водородных топливных ячейках.

Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позво лит 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 Е=mc2, вы веденную Эйнштейном. Многие ее видели, но далеко не все по нимают ее смысл. А она попросту отражает взаимосвязь между материей и энергией или, проще говоря, то, что можно превра щать 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. Да же в атомных электростанциях в энергию превращается только тысячная доля массы. В термоядерных реакциях, происходящих на Солнце, в энергию превращается уже 1% вещества. И толь ко при столкновении с антивеществом материя освобождает свою полную энергию.

Так вот, наше Солнце представляет собой огромную термо* ядерную водородную топливную ячейку. Если при сгорании водо род превращается в воду, соединяясь с кислородом, то в термо ядерной реакции два атома водорода превращаются… в атом ге лия, разумеется, с выделением огромной энергии. Если хими ческие реакции изменяют молекулы, перемещая атомы, то тер моядерные реакции реализуют мечту средневековых алхими ков, превращая одни химические элементы в другие (как вы уже, наверное, догадались, этим мы обязаны перемещениям су батомных частиц).

С их помощью ученые даже получили золото из свинца, од нако разбогатеть на этом им не удалось – термоядерная уста новка для получения одного нанограмма золота стоит дороже нескольких вагонов, набитых золотыми слитками.