Объект и предмет изучения нанохимии

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Химия как наука о веществах и их взаимных превращениях фактически с самого своего рождения сталкивалась с получением нанодисперсных систем. Уже более 1000 лет назад в Китае был известен способ получения нанодисперсного золота, которое использовали для окраски фарфоровых изделий. Однако только лишь относительно недавно (в последние 20-25 лет) химики получили возможность изучать наносистемы и даже непосредственно наблюдать частицы, размер которых составляет порядка 1 нм. Оказалось, что подобные наночастицы обладают весьма необычными химическими свойствами и, в частности, с ними возможно осуществление реакций, которые не идут с участием частиц макроскопического размера. Химические свойства и методы получения веществ в нанодисперсном состоянии стали предметом изучения новой области знания -- нанохимии.

Вещество может значительно изменять свои химические свойства и реакционную способность в зависимости от количества атомов в исследуемом образце и его размера.

Первым обратил на это внимание известный ученый XIX века Майкл Фарадей, сумевший получить коллоидную суспензию, состоящую из крошечных частиц золота. В отличие от своего компактного состояния, имеющего всем знакомый желтоватый блеск, полученный образец был фиолетового цвета. Это говорит о том, что отражающие свойства золота изменяются при уменьшении размеров его частиц. Количество атомов в частице даже назвали “третьей координатой” таблицы Менделеева (наряду с группой и рядом).

Нанохимия - область науки, связанная с получением и изучением физико-химических свойств частиц, имеющих размеры в несколько нанометров.

Одна из приоритетных задач нанохимии - установление связи между размером наночастицы и её свойствами.

Поскольку наночастицы по своим размерам занимают промежуточное положение между молекулами и микроскопическими частицами, их синтез можно вести двумя различными способами. Первый основан на объединении атомов, молекул или кластеров в нанообъекты. Этот подход к синтезу может быть назван синтезом «снизу-вверх». Второй, синтез «сверху-вниз» основан на измельчении каким-либо способом крупных частиц вещества или дезинтеграции объемной структуры без механического разрушения.

Основной проблемой, стоящей перед новой наукой, можно назвать установление влияния размера частиц (или, другими словами, числа составляющих их атомов) на их химическую активность. Переход от изучения привычных для химиков молекул или компактных тел к исследованию нанообъектов вынуждает их во многом пересматривать уже устоявшиеся теоретические представления о свойствах веществ, а также изобретать совершенно новые синтетические методики. Основная особенность нанохимии как науки -- ее междисциплинарность. В ходе решения как конкретных прикладных, так и неотделимых от них фундаментальных задач тесно переплетаются подходы и методы, используемые в физике, химии, биологии, материаловедении.

Успешное развитие различных направлений нанонауки в целом и нанохимии в частности немыслимо без тесного сотрудничества ученых различных специальностей и различных научных школ в рамках единой общей задачи или программы.

Междисциплинарность нанохимии требует изменения и совершенствования методических подходов к обучению и подготовке специалистов, которые будут определять развитие естествознания в наступившем столетии.

Нанохимия находится в стадии быстрого развития, поэтому при её изучении постоянно возникают вопросы, связанные с понятиями и терминами.

Четкие различия между терминами “кластер”, “наночастица” и “квантовая точка” пока не сформулированы. Термин “кластер” чаще используют для частиц содержащих небольшое число атомов, термин “наночастицы” - для более крупных агрегатов атомов и распространен для описания свойств металлов и углерода. Под понятием «квантовая точка» обычно подразумеваются частицы полупроводников и островков, где квантовые ограничения носителей зарядов или экситонов влияют на их свойства. нанохимия кластер квантовый

Кластеры (от англ, cluster, букв. - пучок, рой, скопление), группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов, иногда ультрадисперсные частицы. По числу атомов металла, образующих остов кластерного соединения, - нуклеарности (q)-кластеры делят на малые (q = 3-12), средние (q = 13-40), крупные (q=41-100) и сверхкрупные, "гигантские" (q>100).

Кластеры и наночастицы обладают высокой химической активностью и способны вступать в реакции с другими веществами практически без какой либо дополнительной энергии. Избыточность энергия таких частиц объясняется нескомпенсированностью связей их поверхностных атомов. Большой вклад в поверхностных атомов в энергию системы. Это объясняет поверхностное натяжение и капиллярный эффект. Избыточность энергии существенно влияет на температуру плавления, растворимость, электропроводность, окисленность, токсичность, взрывоопастность и т.д.

В науке немало попыток классифицировать объекты нанохимии.

Однако, количество атомов, определяющих верхнюю границу наночастиц, индивидуально для каждого соединения. По геометрическому принципу (мерности) нанообъекты можно классифицировать с разных точек зрения. Одни исследователи предлагают мерность объекта количеством измерений, в которых объект имеет макроскопические размеры ("по макроразмерности"). Другие берут за основу количество наноскопических измерений ("по наноразмерности"). Последняя более логически обоснованная. Мы попробуем ввести классификацию, интегрирующую оба подхода.

Квантовая точка (КТ) - это трехмерная потенциальная яма для квантовой частицы, ограничивающая движение последней в трех направлениях, и имеющая размеры порядка длины волны де-Бройля квантовой частицы. Физически КТ могут быть реализованы в виде двойной гетероструктуры, в которой узкозонный полупроводник вставлен в матрицу широкозонного в виде малого включения. Тогда трехмерная квантовая яма (или КТ) образуется для носителей заряда в области узкозонного полупроводника. Такие КТ могут быть получены, например, в методе МПЭ при выращивании узкозонного рассогласованного по параметру кристаллической решетки материала на широкозонном материале. При этом образуются островки узкозонного материала малого размера. Островки должны быть покрыты широкозонным материалом.

Квантовая проволока -- это двумерная потенциальная яма для квантовой частицы, размеры которой в двух пространственных направлениях ~ длины волны де-Бройля квантовой частицы. Характерной особенностью нормального к оси квантовой проволоки движения квантовой частицы является то, что набор возможных (разрешенных) значений энергии движения в данных направлениях дискретен.

Квантовая яма - это одномерная потенциальная яма для квантовой частицы, размеры которой ~ длины волны де-Бройля квантовой частицы. Характерной особенностью движения квантовой частицы в квантовой яме является то, что набор возможных (разрешенных) значений её энергии дискретен.

Размещено на Allbest.ru