Підсумкова лекція
1. Предмет нанохімії
2. Наночастинки
3. Перспективи розвитку нанотехнологій
Предмет нанохімії
Нанохімія — розділ хімії, де об’єктами вивчення є тіла, розмір яких лежить у діапазоні 1-100 нм., де фізичні і хімічні властивості тіл суттєво залежать від розміру, досліджує склад і структуру нанотіл.
Для встановлення зв’язків між колоїдної хімією і нанохімією доцільно згадати про основні етапи розвитку колоїдної хімії. Після піонерських досліджень М. Фарадея (1857 р.), в яких вперше були отримані стійкі колоїдні розчини (золі) високодисперсного червоного золота, саме ці системи з розміром частинок близько 5 – 100 нм були в центрі уваги багатьох фізиків і хіміків другої половини XIX ст . і початку XX ст. Експериментальні властивості колоїдних розчинів привели до відкриття основних законів колоїдної хімії – закону броунівського руху і дифузії колоїдних частинок (А. Ейнштейн) , гетерогенної природи колоїдних розчинів ( Р. Зігмонді ) , седиментаційно – дифузійної рівноваги дисперсій в полі сили тяжіння (Ж . Перрен) і в центрифузі ( Т. Сведберг ) , світлорозсіювання (Дж. Релей ) , коагуляції золів електролітами ( Г. Шульце та В. Гарді ). Вивчення властивостей колоїдних розчинів різноманітних речовин дозволило встановити фундаментальний принцип універсальності колоїдного стану
Величезний досвід, накопичений у колоїдної хімії при вивченні ультрадисперсних систем, може бути ефективно використано для вирішення низки дослідницьких і прикладних завдань нанохімії, тому що по суті ці системи є наносистемами
Уявлення колоїдної хімії можна використовувати і для опису наносистем (ультрадисперсних колоїдів). Проте тут виникають досить складні методологічні проблеми. Вони обумовлені проміжним положенням, яке займають ультрадисперсні частинки між молекулами (атомами, іонами) і макроскопічними тілами (фазами).
Розробка методів складання великих молекул з атомів з допомогою наноманіпулятора; вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань атомів при механічних, електричних і магнітних впливах. Синтез наноструктур в потоках надкритичної рідини; розробка способів спрямованої збірки нанокристалів з утворенням фрактальних, каркасних, трубчастих і стовпчастих наноструктур. Розробка теорії фізико-хімічної еволюції ультрадисперсних речовин і наноструктур; створення способів запобігання хімічної деградації наноструктур. Отримання нових каталізаторів для хімічної та нафтохімічної промисловості; вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах. Вивчення механізмів нанокрісталлізаціі в пористих середовищах в акустичних полях; синтез наноструктур в біологічних тканинах; розробка способів лікування хвороб шляхом формування наноструктур в тканинах з патологією. Дослідження явища самоорганізації в колективах нанокристалів; пошук нових способів пролонгування стабілізації наноструктур хімічними модифікаторами
Нові каталізатори для хімічної промисловості та лабораторної практики; оксидно – рідкоземельні і ванадієві нанокаталізатори з широким спектром дії. Методологію запобігання хімічної деградації технічних наноструктур; методики прогнозу хімічної деградації. Наноліків для терапії і хірургії; препарати на основі гідроксиапатиту для стоматології. Спосіб лікування онкологічних захворювань шляхом проведення внутрішньопухлинної нанокристалізації і накладення акустичного поля. Нові хімічні сенсори з ультрадисперсних активною фазою; методи збільшення чутливості сенсорів хімічним модифікуванням.
Практичний аспект нанотехнологій включає в себе виробництво пристроїв і їх компонентів, необхідних для створення, обробки і маніпуляції атомами, молекулами і наночастинками. Мається на увазі, що не обов’язково об’єкт повинен мати хоч одним лінійним розміром менше 100 нм — це можуть бути макрооб’єкти, атомарна структура яких контрольовано створюється з дозволом на рівні окремих атомів, або ж містять в собі нанооб’єктів. У теперішній час унікальні фізичні властивості наночасток, що виникають за рахунок поверхневих або квантово-розмірних ефектів, є об’єктом інтенсивних досліджень.
Усе вище зазначене є підставою для підвищеного інтересу до наночасток спеціалістів різноманітного профілю. У ширшому сенсі цей термін охоплює також методи діагностики, характерології і досліджень таких об’єктів. Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки на таких масштабах звичні, макроскопічні технології поводження з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул (наприклад, сили Ван-дер-Ваальса), квантові ефекти.
Нанотехнології і особливо молекулярна технологія — нові, дуже мало досліджені дисципліни. Основні відкриття, що передбачаються в цій області, поки не зроблені. Тим не менше, проведені дослідження вже дають практичні результати. Використання в нанотехнології передових наукових досягнень дозволяє відносити її до високих технологій. Розвиток сучасної електроніки йде по шляху зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва підходять до свого природного економічного та технологічного бар’єру, коли розмір пристрою зменшується ненабагато, зате економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології — наступний логічний крок розвитку електроніки та інших наукоємних виробництв
Наночастинки
Наночастка – це квазі-нульмірний (0D) нано-об’єкт, у якого всі характерні лінійні розміри мають один порядок величини; як правило, наночастки мають сфероїдальну форму; якщо у наночастці спостерігається яскраво виражене упорядковане розташування атомів (або іонів), то такі наночастки називають нанокристалітами. Наночастки з вираженою дискретністю системи рівнів енергії часто називають «квантовими точками» або «штучними атомами»; частіше за все вони мають склад типових напівпровідникових матеріалів.
Квазі-одномірні нано-об’єкти (1D) – це наностержні, нанопроволоки (nanorods, nanowires); фізики їх називають «квантові провода».
Таким чином, наночастки – це гігантські псевдомолекули, які мають складну внутрішню будову, у багатьох випадках ядро та оболонку, часто – зовнішні функціональні групи та володіють унікальними властивостями. Властивості наноречовини і наноматеріалу істотно відрізняються від властивостей об’єктів з таким же якісним і кількісним складом, але не містять наночастинок.
Виявилося, що наночастки деяких матеріалів мають дуже хороші каталітичні і адсорбційні властивості. Інші матеріали показують дивовижні оптичні властивості, наприклад, надтонкі плівки органічних матеріалів застосовують для виробництва сонячних батарей. Такі батареї, хоч і мають порівняно низьку квантову ефективність, зате більш дешеві і можуть бути механічно гнучкими. Вдається домогтися взаємодії штучних наночасток з природними об’єктами нанорозмірів — білками, нуклеїновими кислотами і іншими. Ретельно очищені наночастинки можуть самовистроюватися в певні структури. Така структура містить строго впорядковані наночастинки і також часто проявляє незвичайні властивості.
Існує багато різних способів класифікації нанооб’єктів. Згідно найпростішої з них все нанооб’єктів поділяють на два великі класи – суцільні («зовнішні») і пористі («внутрішні»). Суцільні об’єкти класифікують по розмірності: 1) об’ємні тривимірні (3D) структури, їх називають нанокластерами ( cluster – скупчення , гроно ), 2) плоскі двовимірні (2D) об’єкти – наноплівки ; 3) лінійні одновимірні ( 1D ) структури – нанонитки , або нанопроволоки ( nanowires ), 4) нульмірні ( 0D ) об’єкти – наноточки, або квантові точки . До пористих структурам відносять нанотрубки і нанопористі матеріали , наприклад аморфні силікати.
Властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей крупніших об’єктів, що складаються з тих же самих атомів і молекул. Відомо, що багато фізичні властивості речовини, наприклад його забарвлення, тепло-і електропровідність, температура плавлення залежать від розміру часток. Наприклад, температура плавлення наночастинок золота розміром 5 нм виявляється на 250 ° нижче, ніж у звичайного золота. Скло набуває забарвлення, якщо містить частинки , розміри яких порівняти з довжиною хвилі видимого світла , тобто мають нанорозміри. Саме цим і пояснюється яскраве забарвлення середньовічних вітражів , у складі яких перебувають різної величини наночастинки металів або їх оксидів . А електропровідність матеріалу визначається довжиною вільного пробігу – відстанню, яку проходить електрон між двома зіткненнями з атомами . Воно також вимірюється в нанометрах. Якщо розмір наночастинки металу виявляється меншим цієї відстані, то у матеріалу слід очікувати появи особливих електричних властивостей, не характерних для звичайного металу .
Наприклад, наночастки платини набагато ефективніше очищають автомобільні вихлопи від токсичних забруднювачів, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові і багатошарові графітні циліндри нанометрової товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому можуть стати заміною мідним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності і принципово нові напівпровідникові і оптоелектронні пристрої. На сучасному етапі нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовується в автомобіле- і авіабудуванні), під час виробництва чорнил; для виробництва одягу, який неможливо забруднити і пом’яти і так далі
При аналізі матеріалу необхідно в першу чергу звертати увагу на його структуру ! Розчинивши шматочок дамаської сталі в соляній кислоті , німецькі вчені виявили , що міститься в ній вуглець утворює не звичайні плоскі лусочки графіту , а вуглецеві нанотрубки. Так називають частинки , що виходять при закручуванні одного або декількох шарів графіту в циліндр. Усередині нанотрубок є порожнини , які в дамаської сталі були заповнені цементитом . Найтонші нитки з цієї речовини пов’язують окремі нанотрубки один з одним , додаючи матеріалу надзвичайну міцність , в’язкість і пружність. Зараз вуглецеві нанотрубки навчилися виробляти у великих кількостях , але як вдавалося отримувати їх середньовічним « технологам » , до цих пір залишається загадкою. Вчені припускають , що освіті нанотрубок з вугілля , який потрапляв в сталь з палаючого дерева , сприяли якісь домішки і особливий температурний режим з багаторазовим нагріванням і охолодженням вироби . У цьому якраз і полягав той втрачений з роками секрет , яким володіли ремісники.
Окремі наночастинки, що містять не більше 1000 атомів, називають нанокластерами. Вуглецеві каркасні структури – це великі (а іноді і гігантські!) молекули, що складаються виключно з атомів вуглецю. Можна навіть говорити,що вуглецеві каркасні структури – це нова алотропна форма вуглецю. Головна особливість цих молекул – це їх каркасна форма: вони виглядають як замкнуті, порожні всередині “оболонки”. Найзнаменитіша з вуглецевих каркасних структур – це фулерен C60.
При вивченні нанотрубок спливають вельми цікаві та дивовижні якості. Не дивлячись на крихкість і навіть ажурність, нанотрубки виявились на рідкість міцним матеріалом, як на розтяг, так і на вигин
Порожнечі всередині нанотрубок (і вуглецевих каркасних структур взагалі) також привертають увагу. Справді, а що буде, якщо всередину фулерену помістити атом якої-небудь речовини? Експерименти показали, що інтеркаляція (тобто впровадження) атомів різних металів змінює електричні властивості фулеренів і може навіть перетворити в ізолятор надпровідник! Виявляється можна таким же чином змінити властивості нанотрубок
Нанотрубки можна використовувати як мікроскопічні контейнери для перевезення хімічно або біологічно активних речовин: білків, отруйних газів, компонентів палива і навіть розплавлених металів. Потрапивши всередину нанотрубки, атоми або молекули вже не можуть вийти назовні: кінці нанотрубок надійно “запаяні”, а вуглецеве ароматичне кільце занадто вузьке для більшості атомів. У такому вигляді активні атоми або молекули можна безпечно транспортувати. Потрапивши в місце призначення, нанотрубки розкриваються з одного кінця (а операції “запаювання” і “розпаювання” решти нанотрубок вже цілком під силу сучасної технології) і випускають свій вміст в строго визначених дозах. Це не фантастика, експерименти такого роду вже зараз проводяться в багатьох лабораторіях світу. Також із-за високої питомої поверхні і наявності незаповнених обсягів вуглецеві нанотрубки володіють підвищеними сорбційні властивості. Вони здатні поглинати (сорбувати) значну кількість як газоподібного,так і рідкого речовини. Ця здатність вельми приваблива для створення надмініатюрні сенсорів, здатних детектувати найменші домішки в атмосферному повітрі.
Дослідники з університету Сіракуз вивчили токсичність звичайно використовуваних наночастинок, які потенційно здатні пошкодити клітинну мембрану.
У статті в виданні Langmuir дослідники доцент Шікха Нанг і професор Радхакрішна Сурешкумар довели, що проста модифікація форми і заряду наночастинок здатна викликати значні зміни в хімічних взаємодіях між наночасткою і клітинною мембраною.
Наноматеріали, які в даний час використовуються як перевізники препаратів, також викликають з’ясовне занепокоєння, оскільки не існує універсальних стандартів, щоб навчити і повністю захистити тих, хто працює з наноматеріалами. Наночастки за рівнем потенційної загрози співставні з хімікатами, оскільки можуть легко проникати через шкіру або попадати в організм через органи дихання.
Проблема лікування глаукоми полягає не у відсутності ефективної речовини, що діє, а в його доставці власне в око. Дослідники з Університету Центральної Флоріди (США) і з Державного університету Північної Дакоти (США) відзначають, що тільки 1-3 відсотки існуючих препаратів від глаукоми проникають в око.
Автори роботи провели лабораторні випробування по використанню наночастинок оксиду церію як носії ліків. Як показали експерименти, наночастинки цього матеріалу володіють високою швидкістю проникнення і не викликають дискомфорту у пацієнтів.
В експериментах до наночастинок оксиду церію приєднали речовину, блокуючу ензим (фермент – hCAII), який, як вважають, грає центральну роль в розвитку глаукоми. При цьому захворюванні створюється високий тиск рідини усередині ока, що у разі недостатнього лікування, може привести до пошкодження очного нерва і втрати зору. Високий тиск створюється, зокрема, із-за утворення діоксиду вуглецю (вуглекислого газу) усередині ока. Речовина, що доставляється за допомогою оксиду церію “карбоксибензінсульфонамід” блокує ензим, виробляючий CO2.
Оксид церію нетоксичний, тому автори роботи вважають, що він може необмежено використовуватися як носій ліків.
Перспективи розвитку нанотехнологій
Нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:
· створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;
· конструювання нанокомп’ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;
· збирання нанороботів — систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні
Медики очікують, коли завершаться клінічні випробування біодатчиків для діагностики онкологічних захворювань. Вже зараз наночастинки використовують для доставки ліків до тканин організму і збільшення ефективності всмоктування важкорозчинних лікарських препаратів. Нанесення на пакувальні плівки наночастинок срібла дозволяє продовжити термін зберігання продуктів. Наночастки використовують в нових типах сонячних батарей і паливних елементів – пристроїв, що перетворюють енергію згоряння палива в електричну. У майбутньому їх застосування дозволить відмовитися від спалювання вуглеводневого палива на теплових електростанціях і в двигунах внутрішнього згоряння автотранспорту – адже саме вони вносять найбільший внесок у погіршення екологічної обстановки на нашій планеті. Так наночастинки служать створенню екологічно чистих матеріалів і шляхів виробництва енергії
Встановлено , що наночастинки срібла в тисячі разів ефективніше борються з бактеріями і вірусами , ніж срібні іони. Як показав експеримент , незначні концентрації наночастинок знищували всі відомі мікроорганізми (у тому числі і вірус СНІДу ), не витрачаючись при цьому .
Крім того , на відміну від антибіотиків , які вбивають не тільки шкідливі віруси , але і уражені ними клітини , дія наночасток дуже вибірково: вони діють тільки на віруси , клітка при цьому не пошкоджується ! Справа в тому , що оболонка мікроорганізмів складається з особливих білків , які при ураженні наночастинками перестають постачати бактерію киснем. Мікроорганізм більше не може окисляти своє «паливо» глюкозу і гине , залишившись без джерела енергії. Віруси , що взагалі не мають ніякої оболонки , теж отримують своє при зустрічі з наночасткою. А ось клітини людини і тварин мають більш «високотехнологічні» стінки , і наночастинки їм не страшні.
На даний момент проводяться дослідження можливостей використання наночастинок срібла у фармацевтичних препаратах. Наприклад, фірма “Геліос” випускає зубну пасту “Знахар” з наночастинками срібла, ефективно захищає від різних інфекцій . Також невеликі концентрації наночастинок додають до деяких кремів із серії ” елітної ” косметики для запобігання їх псування під час використання. Добавки на основі срібних наночастинок застосовуються в якості антиалергенного консерванту в кремах , шампунях , косметичних засобах для макіяжу і т.д. При використанні спостерігається також протизапальний і загоюючий ефект .
Тканини, модифіковані срібними наночастинками, є, по суті, самодезінфікуючими . На них не може ” ужитися ” жодна хвороботворна бактерія або вірус. Наночастки не вимиваються з тканини при пранні , а ефективний термін їх дії складає більше шести місяців, що говорить про практично необмежені можливості застосування такої тканини в медицині та побуті. Матеріал , що містить наночастки срібла , незамінний для медичних халатів , постільної білизни , дитячого одягу , антигрибкового взуття і т.д.
Наночастки здатні довго зберігати бактерицидні властивості після нанесення на багато тверді поверхні (скло , дерево , папір , кераміка , оксиди металів та ін.) Це дозволяє створити високоефективні дезинфікуючі аерозолі тривалого терміну дії для побутового використання. На відміну від хлорки та інших хімічних засобів знезараження, аерозолі на основі наночасток не токсичні і не шкодять здоров’ю людей і тварин.
Люди завжди шукали способи боротьби з інфекціями, що передаються повітряно-крапельним шляхом – грипом, туберкульозом, менінгітами , вірусним гепатитом і т. п. Але , на жаль , повітря в наших квартирах , офісах і особливо в місцях масового скупчення людей (лікарні, громадські установи, школи , дитячі садки , казарми , в’язниці тощо) перенасичене патогенними мікроорганізмами.
Традиційні способи профілактики не завжди справляються з цією проблемою , тому нанохімікі запропонували для її вирішення дуже елегантний спосіб : додати в лакофарбові матеріали , що покривають стіни закладів , наночастинки срібла. Як виявилося , на покрашених такими фарбами стінах і стелях не може “жити” більшість патогенних мікроорганізмів .
Наночастки, додані у вугільні фільтри для води, практично не вимиваються з нею , як це відбувається у випадку звичайних срібних іонів . Це говорить про те, що термін дії таких фільтрів буде незрівнянно більший, а якість очищення води зросте на порядок.
Коротше кажучи, крихітні, непомітні, екологічно чисті срібні наночастинки можуть застосовуватися скрізь , де необхідно забезпечити чистоту і гігієну : від косметичних засобів до знезараження хірургічних інструментів або приміщень . При цьому , як запевняють провідні російські вчені в даній області , вартість засобів і матеріалів , створених на їх основі , буде не набагато дорожча традиційних аналогів , і з розвитком нанотехнологій вони стануть доступні кожному. Фірма Samsung вже додає наночастинки срібла в стільникові телефони , пральні машини , кондиціонери та іншу побутову техніку.
Крім знезаражувальних властивостей , наночастинки срібла мають також високу електропровідність, що дозволяє створювати різні провідні клеї . Такий клей може бути використаний , наприклад , в мікроелектроніці для з’єднання найдрібніших електронних деталей.
На даний момент група російських вчених під керівництвом Г.В. Попової працює над створенням біоміметичних матеріалів, що наслідують біологічні тканини, поширеним прикладом яких можуть бути вироблені комахами павутини, що відрізняються еластичністю і міцністю , що перевищують еластичність і міцність усього , що досі змогли створити наші технології .
Основу всіх біоміметиків складають штучні білки. Подібно своїм природним побратимам, вони також складаються з амінокислот, але синтезуються не рибосомою , а людиною . Причому якщо звичайні білки мають унікальну послідовність з двадцяти різних амінокислот , то білки для біоміметика цілком можуть обмежитися якоюсь однією , але повторюваною молекулою . Так виходять аналоги білків поліамінокислоти , побудовані на основі одного єдиного елементу. Потім ці білкові блоки можна як завгодно з’єднувати між собою, ” чіпляти ” до них інші молекули – барвники , фотоактивні, електроактивні , люмінесціюючі і т.д. , щоразу отримуючи матеріали з новими цікавими властивостями.
Згадайте, яку величезну кількість білків з самими різними функціями створила природа . Більшість з них вміють активно реагувати на зміни зовнішнього середовища, активно пристосовуватися до них. Штучні біоміметики, подібні за своїми якостями з природними білками, також проявляють ” розумність ” у відповідь на слабкі зовнішні подразники: опромінення , тепло , електрострум , шкідливі речовини. На їх основі вже сконструйовані оптичні сенсорні матеріали для нанобіотехнології і нанопристроїв , виробляють екологічний моніторинг .
Особливий інтерес представляють також і біодеградуючі матеріали , серед яких дуже цікавий пакувальний біоматеріал, здатний швидко розкладатися на природні природні компоненти після закінчення певного часу, не забруднюючи навколишнє середовище , як це роблять металеві та пластикові упаковки.
У цьому напрямку британськими вченими реалізований вельми оригінальний проект з утилізації стільникових телефонів. У Європі користувачі щорічно позбуваються від більш ніж ста мільйонів старих телефонів. Суть інновації заключається в матеріалі , з якого виготовляється корпус телефону . Вчені пропонують замінити його на новий полімер , який здатний розкладатися в землі протягом кількох тижнів .
До числа речей , створених з “розумних матеріалів” можна віднести так званий “розумний одяг“. Серед величезної кількості подібних проектів можна виділити , наприклад , одяг , що реагує на зміну температури : коли спекотно , одяг пропускає повітря , щоб охолодити свого власника , а коли холодно _ навпаки , ущільнюється. Зовсім скоро на полицях магазинів з’явиться одяг, що не вбирає запах тютюнового диму , що самоочищається одяг, спортивний одяг з ефектом охолодження , костюми і куртки , що самостійно ” підганяють ” свій розмір під розмір господаря , одяг , відганяючий комах.
Розробниками компанії Philips був запропонований проект по створенню нижньої білизни, з вбудованими нанодатчиками, які відстежують порушення у серцевому ритмі свого власника. В екстреному випадку (наприклад, інфаркт) одяг зв’язується по бездротовому зв’язку з найближчою станцією швидкої допомоги і рятує людині життя.
Джерела інформації:
1. Мороз А.С., Яворська Л.П., Луцевич Д.Д. та ін. Біофізична та колоїдна хімія. – Вінниця: Нова книга, 2007. – 600 с.
2. Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. Фізична та колоїдна хімія – Х.: Прапор, В-во УкрФА, 1999. – 368 с.
3. Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. Фізична та колоїдна хімія. Збірник задач. – Х.: Золоті сторінки, 2001. – 207 с.
4. А. И. Гусев. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. УрО РАН, Екатеринбург, 1998.
5. Матеріали сайту http://www.tdmu.edu.te.ua/
