Предмет и задачи нанохимии и нанотехнологий. (Лекция 1)

1. Нанохимия и нанотехнологии: История. Предмет и задачи

Лекция 1

2. Интересные факты:

3.

Интересные факты:
Древнеримский Кубок Ликурга
меняет цвет в зависимости от
освещения
Дамасский меч имеет
изумительно твердое и острое
лезвие

4. Хронология событий

1928 год. Ирландский изобретатель Эдвард Синг (E.H. Synge)

5. Хронология событий

• 1931 год. Макс Кнолл (Max Knoll) и Эрнст Руска (Ernst Ruska)
• 1938 год. Джемс Хиллиер (James Hillier) и Альберт Пребус (Albert Prebus)

6. Хронология событий

• 1955 год. Эрвин Мюллер (Erwin Muller) изобрел полевой
ионный микроскоп, позволивший ему впервые увидеть
отдельные атомы.

7. Хронология событий

• 1959 год. Ричард Фейнман (Richard Feynman)
впервые опубликовал работу с анализом перспектив миниатюризации и
прочитал лекцию :
«Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики»,
«… в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по
заданной химической формуле» .

8. Хронология событий

8
Хронология событий
• 1968 год. Альфред Чо (Alfred Yi Cho) и Джон Артур (John
R. Arthur) разработали теоретические основы молекулярнопучковой эпитаксии, применяемой при получении
квантовых точек;
• 1970 год. Японский ученый Эйдзи Осава (Eiji Osawa)
высказал предположение о существовании молекулы из 60
атомов углерода, в виде усечённого икосаэдра:

9. Хронология событий

• 1973 год. Луи Е. Брусом (Louis E. Brus) и Алексеем
Екимовым (Alexey Ekimov)
в коллоидных растворах в стеклянной матрице были
обнаружены квантовые точки

10. Хронология событий

10
Хронология событий
• 1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в
научный оборот слово "нанотехнологии"
• 1981 год. Американский ученый Герберт Глейтер (Herbert
Gleiter) впервые использовал определение
«нанокристаллический»

11. Хронология событий

11
Хронология событий
• 1982 год. Герд Бинниг и Генрих Рорер создали
Сканирующий зондовый микроскоп

12. Хронология событий

12
Хронология событий
• 1986 год. Эрик Дрекслер (Eric Drexler), ввел понятие
«молекулярных машин»

13. Хронология событий

13
Хронология событий
• 1989 год. Дональд Эйглер (Donald Eigler), сотрудник
компании IBM, выложил название своей фирмы атомами
ксенона

14. Хронология событий

14
Хронология событий
• 1991 год. Японский ученый Сумио Иджима (Sumio Iijima)
открывает углеродные нанотрубки.

15. Хронология событий

• 1998 год. Сиз Деккер (Cees Dekker) создал транзистор
на основе нанотрубок

16. Хронология событий

• 1999 год. Уилсон Хо (Wilson Ho) и Хайжун Ли
(Hyojune Lee) исследовали химические связи Fe(CO)2

17. Хронология событий

17
Хронология событий
• 2000 год. США создает Национальную
Нанотехнологическую Инициативу (ННИ)
(National Nanotechnology Initiative).

18. Хронология событий

• 2002 год. Сиз Деккер (Cees Dekker) соединил углеродную
трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

19.

19
Углеродные нанотрубки. Возможное применение
Космический лифт
Сверхпрочные нити
Искусственные мышцы
Микроэлектроника
Топливные элементы

20. Хронология событий

• 2004 год. Андрей Гейм (Andre Geim) и Константин
Новосёлов (Konstantin Novoselov) открыли графен

21.

21
Графен. Применение в современном мире
Андрей Гейм и Константин Новоселов
Прозрачный радиомодуль из
Графена

22.

22
Графен. Применение в современном мире

23. Хронология событий

23
Хронология событий
• 2006 год. Джеймс Тур (James Tour) и его коллеги из
университета Райса создали наноразмерную машину:

24. Хронология событий

• 2007 год. Дж. Фрейзер Стоддарт (J. Fraser Stoddart)

25. Хронология событий

• 2009 год.
Аббревиатура "Si" написана отдельными атомами кремния
на олове, при помощи зонда АСМ

26. Хронология событий

• 2010 год. Компания IBM:

27. Хронология событий

27
Хронология событий
• 2012 год. Герхард Мейер (Gerhard Meyer), Лео Гросс (Leo
Gross), и Яша Репп (Jascha Repp)

28. Хронология событий

28
Хронология событий
• 2011 год. Немецкий физик Леонард Грил
(Leonhard Grill)

29.

29
• Нанонаука – изучение вещества, процессов,
явлений и устройств в нанометровом
диапазоне.
• Нанотехнологии – совокупность методов и
приемов, обеспечивающих возможность
контролируемым образом создавать и
модифицировать объекты, включающие
компоненты с размерами менее 100 нм хотя
бы в одном измерении, получившие в
результате принципиально новые качества.

30.

30

31. Основы и главные области применения нанотехнологий:

31
Основы и главные области применения нанотехнологий:

32. Размеры и размерность объектов наномира

32
Размеры и размерность объектов наномира
Размерность – число измерений, вдоль
которых движение электрона является
инфинитным, а энергетический спектр в
данном направлении – непрерывным.
Виды нанообъектов:
• квазидвумерный (пленки, покрытия)
• квазиодномерный (нанотрубки)
• нуль–мерный (атом)

33. Методы получения наноматериалов:

33
Методы получения наноматериалов:
Bottom-up:
Top-down:
Газофазный синтез:
• Испарение в электрической дуге
• Лазерное испарение
• Химическое осаждение из
газовой фазы
• Магнетронное распыление
Синтез в нанореакторах
Золь-гель метод
Гидротермальный синтез
Синтез из сверхкритических
растворов
Механический помол
Механосинтез,
детонационный синтез
электровзрыв,
Сонохимия.
Удаление компонента
гетерогенной системы

34. Важные факторы, которые необходимо учитывать в ходе синтеза наночастиц:

34
Важные факторы, которые
необходимо учитывать в ходе
синтеза наночастиц:
• Неравновесность систем (позволяет добиться
спонтанного зародышеобразования и избежать роста и
агрегации сформировавшихся наночастиц);
• Высокая химическая однородность
(обеспечивается, если в процессе синтеза не происходит
разделения компонентов как в пределах одной наночастицы,
так и между частицами);
• Монодисперсность (необходимо синтезировать частицы
с достаточно узким распределением по размерам).

35. Газофазный синтез – испарение и конденсация

35
Газофазный синтез – испарение и
конденсация
Установки различаются:
1)
2)
3)
4)
5)
способом ввода испаряемого материала,
методом подвода энергии для испарения,
рабочей средой,
организацией процесса конденсации,
системой сбора полученного дисперсного
продукта

36. Золь-гель метод

36
Золь-гель метод
Стадии:
• прекурсор,
• золь,
• гель,
• старение,
• высушивание
• термообработка

37.

37

38.

38
Преимущества метода
1.
Низкая температура процесса получения
геля:
2.
Высокая
гомогенность
и
чистота
получаемого материала на молекулярном уровне
3.
Возможность
изменения
условий
формирования продукта
4.
Возможность ультразвукового воздействия
на раствор и осадок

39. Гидротермальный синтез

39
Гидротермальный синтез
Закрытые системы, водные растворы при
температурах свыше 1000 оС и давлениях
выше 1 атм.
Одним из наиболее
известных наноматериалов, производимых
гидротермальным методом, являются
синтетические цеолиты.

40. Синтез наноструктур в пленках Ленгмюра-Блоджетт

40
Синтез наноструктур в пленках
Ленгмюра-Блоджетт
Метод Ленгмюра-Блоджетт – технология
получения моно- и мультимолекулярных пленок
путем переноса на поверхность твердой
подложки пленок Ленгмюра
• Процесс формирования пленки происходит
на границе раздела «газ-жидкость».

41.

Типы полимолекулярных слоев

42. Механосинтез

42
Механосинтез
• Основой механосинтеза является механическая
обработка твердых смесей, при которой
происходит
измельчение
и
липстическая
деформация веществ. Механическое воздействие
при измельчении материалов носит импульсный
характер,
поэтому
возникновение
поля
напряжений происходит не в течение всего
времени пребывания в реакторе, а только в
момент соударения частиц.
• Мельницы:
барабанные,
роликовые,
планетарные, шаровые и вибрационные
• Средний размер частиц от 5 до 200 нм.

43. Детонационный синтез

43
Детонационный синтез
• Получают алмазные порошки
• Метод - ударно-волновая обработка
• Размер наночастиц - около 4 нм.

44. Электровзрыв

44
Электровзрыв
• взрыв органических веществ с
содержанием
углерода
и
содержанием кислорода.
высоким
низким

45. Сонохимия - это применение ультразвука в химических реакциях и процессах

45
Сонохимия - это применение
ультразвука в химических реакциях и
процессах
• механизмом,
вызывающим
звукохимические
эффекты
в
жидкостях,
служит
явление
акустической кавитации
• Кавитация — образование в жидкой
среде массы пульсирующих пузырьков
• сонолюминесценция
—
звук
превращается в свет.

46. Нанометрологические средства исследования объектов:

46
Нанометрологические средства
исследования объектов:
Микроструктурный анализ
Электронная микроскопия
Сканирующая зондовая микроскопия
Дифракционный анализ
Спектральные методы:
оптическая, рамановская, Оже-,
рентгеноэлектронная, магниторезонансная
спектроскопии, Масс-спектрометрия

47. Источники информации

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
http://planete-zemlya.ru/drevnejshie-nanotexnologii/
http://monada.info/
http://innosfera.org/node/340
http://900igr.net/datai/meditsina/Nanotekhnologii-vmeditsine/0007-003-Nanotekhnologija-khronologija.png
http://www.nano.gov/timeline
http://www.foresight.org/nano/history.html
http://cryogenic.physics.by/index.php/ru/scientificactivities/employees/178-pavlenko