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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Однако есть все основания полагать, что нанотехнология сделает термоядерные приборы компактными и дешевыми. Тогда в каждой «пальчиковой» батарейке будет гореть миниа тюрное солнышко, автомобили смогут годами ездить без дозап равки водородом, а сотовому телефону и ноутбуку зарядное уст ройство 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 ил люстрации 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 части цы с химической формулой NaCl

Такие ионные соединения находят применение в создании фотопленок с высоким разрешением, молекулярных фотодетек торов, различных областях микроэлектроники и электрооптики.

Фрактальные кластеры

Фрактальным называется объект с раз ветвленной структурой. Таковы сажа, кол лоиды, различные аэрозоли и аэрогели. Фрактал – это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно увидеть, как одна и та же структура повторяется в

Большинство кластеров являются молеку лярными. Их число и разнообразие огромны. В частности, к молекулярным кластерам отно сятся многие биологические макромолекулы. На рисунке 70 изображена молекула белка –

Рис 70. Молекулярный кластер ферредоксина.

138

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

В таблице приведены примеры различных наночастиц и наносистем объектов изучения нанохимии.

Табл 8. Основные объекты нанохимических исследований

Способы получения наночастиц

Разработано огромное множество методов получения на ночастиц, позволяющих весьма точно регулировать размеры частиц, их форму и строение. Мы не будем утомлять читателя подробностями и описывать каждый метод в отдельности. Ог раничимся лишь описанием общих принципов, хотя надо признать, что все разработанные методы по своему уникальны и заслуживают самого пристального внимания.

Итак, по принципу воздействия все методы получения можно разделить на две большие группы:

·диспергационные методы, или методы получения наночас тиц путем измельчения обычного макро образца;

·конденсационные методы, или методы “выращивания” на ночастиц из отдельных атомов.

Первая группа – это подход “сверху вниз”. Исходные тела измельчают до наночастиц. Это самый простой из всех спосо бов создания наночастиц, своего рода “мясорубка” для макро тел. Вторая – подход “снизу вверх”, то есть получение наночас тиц путем объединения отдельных атомов. Этот принцип осно ван на феномене конденсации, с которым все хорошо знакомы.

По определению, конденсация (от лат. condensatio – уплотне ние, сгущение) – это переход вещества из газообразного состоя ния в конденсированное (твердое или жидкое) вследствие его ох

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

лаждения. Если хорошенько подышать на стеклышко, оно запо теет. На самом деле это означает, что на нем образуется множест во крошечных, не видимых глазу капелек воды. Если температу ра воздуха в помещении ниже температуры выдыхаемого нами пара, то при дальнейшем охлаждении микроскопические ка пельки будут собираться в более крупные и явные капли.

Примерно то же самое происходит и при конденсационном способе получения наночастиц. Исходные макротела сначала испаряют, после чего образующийся пар конденсируют до об разования наночастиц нужного размера. В результате компакт ное вещество превращается в ультрадисперсное. Нечто похожее происходит и при восстановлении наночастиц из ионных раст воров, только используется не пар, а жидкость.

Во всех методах получения наночастиц требуется мощный приток энергии от внешнего источника, поскольку эти методы приводят к получению наночастиц в неравновесном метастабильном состоянии.

Как только приток энергии прекращается, система стре мится вернуться к равновесию. Почему это происходит?

Рассмотрим, например, конденсационный метод: монокрис талл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем образовавшийся пар резко охлаждается. По мере охлаждения за рождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упоря дочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить такую систему самой себе, то постепенно границы между нано частицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрок ристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор, пока в системе не воссоздастся исходный монокристалл.

В течение всего интервала времени от момента, когда в па ре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момен та, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм, система находится в наносостоянии. Затем она переходит в рав новесие, появление наночастиц прекращается. И если не соз дать искусственные условия для их консервации, то возникшие частицы тоже могут перейти в стадию компактного вещества.

140

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

В биохимическом, фотохимическом и радиационно хими ческом синтезе конденсация наночастиц происходит не из па ра, а из раствора в специальных условиях, обеспечивающих за щиту наночастиц от слипания и реакций с раствором.

При диспергационном способе, в условиях достаточного при тока механической энергии, размер фрагментов, на которые распадается монокристалл, уменьшается. Пока приток механи ческой энергии велик, большинство фрагментов имеют нано метровый размер и система остается в наносостоянии. Когда же “мясорубка” останавливается, нескомпенсированность пове рхностных связей приводит к тому, что нанофрагменты начина ют срастаться и укрупнятся. Все это продолжается до тех пор, пока в системе не будет воссоздан исходный монокристалл.

Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систе му вводится некоторый стабилизатор, который обычно предс тавляет собой молекулярный раствор белков, полимеров или поверхностно активных веществ (ПАВ). На определенной ста дии агрегации стабилизатор вступает в действие: его молекулы облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препят ствует ее дальнейшему росту. Регулируя состав и концентрацию стабилизатора, можно получать наночастицы любого диаметра.

Итак, мы выяснили, что большинство наносистем, получае мых промышленными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремиться вернуться в свое компактное состояние. Но как же тогда объяс нить стабильность некоторых наночастиц, например, уже изве стных нам фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмотря на свои на нометровые размеры, они превосходно существуют и “по оди ночке”, отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными.

Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанот рубки и некоторые другие наночастицы были названы “маги* ческими”, а числа входящих в них атомов – “магическими числа* ми”. Например, для щелочных металлов магические числа – 8, 20 и 40, для благородных металлов – 13, 55, 137 и 255, для угле родных кластеров – 60, 70, 90 и т.д.

Все атомы "магических" наночастиц крепко связаны между собой, что придает им необходимую стабильность.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Измельчать вещество в наночастицы можно не только ме ханически. Российская компания «Передовые порошковые технологии» получает наночастицы взрывая металлическую нить мощным импульсом тока (см. рисунок 71).

Рис 71. Электровзрывной метод получения наночастиц

Существуют и более экзотические способы обзавестись на ночастицами. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и по местили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действова ли как химический восстановитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя нано частицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.

Получение углеродных наночастиц – фуллере нов и нанотрубок

Конец ХХ века ознаменовался открытием новых форм уг лерода – фуллеренов и нанотрубок. Научная и практическая значимость этих открытий настолько велика, что они даже бы ли отмечены Нобелевской премией. А ведь найдены были эти уникальные вещества в обычной саже, тысячелетиями получа емой при сгорании любых углеродсодержащих веществ – дре весины, графита, природного газа и т.п.!

Сегодня разработано много методов получения углеродных наноструктур с разными размерами и свойствами, но суть всех методов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в результа те химических превращений углеродсодержащих материалов в

142