тема_современные_материалы_и_нанотехнологии

1.

Современные материалы и
нанотехнологии
Химия на границе возможного: от атомов к революционным
материалам будущего

2.

Что такое нанотехнологии?
Масштаб нано
Ключевые принципы
Нанометр — одна миллиардная метра. На этом
масштабе работают отдельные молекулы и атомы, а
Управление материей на атомарном и молекулярном
уровне (1–100 нм)
химические и физические свойства веществ
Уникальные квантовые и поверхностные эффекты
кардинально меняются.
Соотношение поверхности к объёму резко возрастает
Новые химические, оптические и механические
свойства
Основа — фундаментальные законы химии и физики

3.

Углеродные наноструктуры
Графен
Нанотрубки
Двумерный слой атомов
Свёрнутые листы графена.
углерода. Прочнее стали в
Высочайшая прочность на
200 раз, отличный проводник
растяжение,
тепла и электричества.
полупроводниковые свойства,
Нобелевская премия 2010 г.
применяются в электронике и
композитах.
Фуллерены C₆₀
Сферические молекулы из 60 атомов углерода. Используются в
медицине, смазках и солнечных элементах.

4.

Наночастицы: химия и свойства
Почему свойства меняются?
Квантовые точки
Наночастицы
TiO₂
Полупроводниковые
Фотокатализатор:
наночастицы с
разлагает органику
перестраиваемой
под действием УФ-
Золото на наноуровне — красное или фиолетовое, не
флуоресценцией —
света, применяется в
жёлтое
основа дисплеев
самоочищающихся
Серебро проявляет антибактериальные свойства
QLED и биосенсоров.
покрытиях.
Оксид железа становится суперпарамагнетиком
На наноуровне доля поверхностных атомов становится
доминирующей. Это напрямую влияет на реакционную
способность, цвет, магнитные и каталитические
свойства вещества.

5.

Нанохимия в медицине
Адресная доставка лекарств
Диагностика и визуализация
Антибактериальные покрытия
Наночастицы инкапсулируют
Наночастицы оксида железа —
препарат и доставляют его точно к
контрастные агенты МРТ. Квантовые
Наночастицы серебра (Ag)
опухоли, снижая токсичность для
точки используются для
интегрируются в хирургические
здоровых тканей. Основа — липосомы
флуоресцентной маркировки клеток
инструменты и имплантаты,
и полимерные мицеллы.
в реальном времени.
предотвращая образование
биоплёнок и резистентных
инфекций.

6.

Нанокомпозиты и
конструкционные материалы
Что такое нанокомпозит?
нанотрубки в полимерах —
Матричный материал (полимер,
металл, керамика) с введёнными
наночастицами-наполнителями.
Нанонаполнитель радикально
улучшает характеристики при
Прочность: углеродные
прочность выше на 40–60%
Лёгкость: замена стали в
авиации и автомобилестроении
Барьерность: нанопластины
монтмориллонита в упаковке
малых концентрациях (1–5%).
снижают газопроницаемость
Термостойкость: керамические
нанокомпозиты для двигателей

7.

Применение нанотехнологий в энергетике
Солнечная энергетика
Накопители энергии
Перовскитные наноструктуры повышают КПД солнечных
Наноструктурированные электроды Li-ion батарей (SnO₂,
элементов. Квантовые точки — новое поколение
Si) увеличивают ёмкость в 3–5 раз. Графеновые
фотовольтаики с настраиваемым поглощением спектра.
суперконденсаторы — быстрая зарядка без деградации.
Водородная энергетика
Нанокатализ
Платиновые наночастицы на углеродных носителях —
Высокая удельная поверхность наночастиц (Au, Pd, Pt)
катализаторы топливных элементов. Снижение содержания
обеспечивает беспрецедентную каталитическую активность
Pt в 10 раз при сохранении активности.
в зелёной химии и нефтепереработке.

8.

Методы синтеза наноматериалов
Снизу вверх
Сверху вниз
Дробление
макроматериала:
литография,
шаровой помол,
лазерная абляция
Самосборка из
атомов: химическое
осаждение,
золь-гель,
молекулярный пучок
Выбор метода синтеза определяет размер, форму и химическую чистоту наночастиц, что напрямую влияет на их
функциональные свойства. Контроль нуклеации и роста — ключевая задача нанохимии.

9.

Безопасность и этика нанотехнологий
Нанотоксикология
Регулирование и стандарты
Малый размер позволяет наночастицам проникать через
биологические барьеры: кожу, лёгкие,
гематоэнцефалический барьер. Необходима строгая оценка
2020 г.
рисков для каждого типа.
Размер и форма определяют токсичность
Хроническое воздействие — слабо изучено
Экотоксикология: накопление в пищевых цепях
ЕС: регламент REACH распространён на наноматериалы с
ISO/TC 229 — международные стандарты
нанотехнологий
Маркировка: «nano» обязательна в косметике и пище (ЕС)
Принцип предосторожности — основа
нанорегулирования
Безопасность — неотъемлемая часть разработки
наноматериалов наравне с функциональностью.

10.

Ключевые выводы и перспективы
Химия — фундамент нанотехнологий
Управление химическими реакциями на атомарном уровне открывает
возможности для создания принципиально новых веществ и материалов.
Широчайший спектр применений
Медицина, энергетика, электроника, строительство и экология —
нанотехнологии трансформируют каждую отрасль промышленности.
Ответственное развитие
Рост отрасли требует параллельного развития стандартов безопасности,
токсикологических исследований и этического регулирования.
Горизонт будущего
Молекулярные машины, самовосстанавливающиеся материалы и
нейроинтерфейсы — следующий рубеж нанохимии в ближайшие 10–20 лет.