Материал: Искусственные наночастицы Учебно-методическое пособие

фильную головную группу, притягивающуюся к воде, а на другом - гидрофобную хвостовую группу, избегающую воду (т.е. липофильную или притягивающуюся к жирам). ПАВ широко используется для изоляции наночастиц, особенно в биологических системах.

В) Свойства наночастиц Химическая реакционная способность наночастиц

Зависимость скорости химической реакции железа с водородом от размеров наночастиц железа.

Частицы, состоящие из 10 атомов и более, чем 18 атомов, реагируют с водородом легче, чем остальные.

Любые частички размером более 10 мкм, оказавшись на нановорсистой поверхности, никогда к ней не прилипнут, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому частички грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды.

Такое самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют эффектом лотоса, т.к. поверхность его листьев тоже покрыта нановорсинками. Похожим образом устроена поверхность крыльев бабочек и многих других на-

5

секомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.

Таким образом, нанотехнология позволяет создавать самоочищающиеся покрытия, обладающие также водоотталкивающими свойствами. Уже производят самоочищающееся ветровое стекло, внешняя поверхность которого покрыта нановорсинками.

Группа японских учёных обнаружила появление высокой каталитической активности у наночастиц золота с размером менее 5 нм. На основе таких наночастиц, расположенных на подложке Fе2О3, был изготовлен освежитель возду-

ха.

Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок обладает большой каталитической активностью. При сворачивании «графитового» листа из атомов углерода в трубочку концентрация электронов на её внутренней поверхности становится меньше, поэтому некоторые связи на внутренней поверхности нанотрубок ослабляются.

Оказалось, что нанокомплекс, состоящий из двух катализаторов: углеродных нанотрубок и внедрённых в них переходных металлов способен запустить реакцию, о которой химики до сих пор только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода), получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы.

Магнитные свойства наночастиц

Большинство атомов в твёрдых телах не имеют магнитного момента, однако существуют ионы переходных элементов, таких как железо, марганец и кобальт, которые обладают ненулевым магнитным моментом. В кластере магнитный момент каждого атома взаимодействует с моментами других атомов, что может выстроить все моменты в одном направлении по отношению к ка- кой-либо оси симметрии кластера. Такой кластер обладает суммарным ненулевым магнитным моментом. Зависимость магнитного момента атомов в наночастицах рения от количества атомов в них:

6

Оптические свойства наночастиц

Когда частица уменьшается в размерах до нескольких сотен атомов, плотность разрешённых энергетических состояний электронов в ней радикально меняется: разрешённые энергетические зоны превращаются в набор дискретных уровней. Маленький кластер аналогичен молекуле с её дискретным набором энергетических уровней, связывающими и антисвязывающими орбиталями. Из-за этого превращения (в сущности сужения разрешённых зон) энергия оптических переходов между уровнями увеличивается, так что при уменьше-

нии размеров частиц оптические спектры поглощения существенно сдвига-

ются в голубую сторону (т.е. в сторону уменьшения длин волн), меняя окраску всего материала.

Под действием фотонов в веществе могут образовываться экситоны (связанные электрон-дырочные пары). Из-за кулоновского притяжения между положительной дыркой и отрицательным электроном эта парочка может довольно долго не разбегаться и перемещаться по кристаллу единым облачком (размер его может быть несколько порядков межатомных расстояний). Присутствие экситонов оказывает сильное влияние на электронные свойства полупроводников и их оптическое поглощение.

Спектр оптического поглощения водородоподобных переходов экситона в Cu2О, а также спектры поглощения наночастиц Cu2О.

Медицинские свойства наночастиц

Наночастицы серебра обладают бактерицидными свойствами. На основе их изготавливаются:

1.Препараты на основе наночастиц для эффективного залечивания ран;

2.Обеззараживающие угольные фильтры с наночастицами в бассейнах, душах, в системах кондиционирования воздуха;

8

3.Бактерицидные краски для профилактики заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем (наносеребром покрывают столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и мышки для компьютеров);

4.Самодезинфицирующаяся одежда и белье;

5.Обеззараживающие аэрозоли, чистящие пасты, стиральные порошки, мыла, косметика и т.д.

Сильное бактерицидное действие наночастиц серебра объясняют их высокой реактивной способностью. Ионы серебра блокируют работу одного из ферментов бактерий, отвечающих за их «дыхание».

1.2.Нанотрубки

В1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. В 1991 г. японский микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), первым обнаружил, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры.

Углеродные нанотрубки (УНТы) – это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров (~ 1–10 нм) и длиной до нескольких сантиметров (~ 1 см), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей. Закрытые нанотрубки заканчиваются не дыркой, а полусферической головкой (половина молекулы фуллерена). При этом существуют технологии, позволяющие сплетать нанотрубки в нити неограниченной длины (углеродные волокна).

Взаимная ориентация гексагональной сетки графита (состоящей из шестиугольников), из которой УНТ как бы свёрнута, и продольной оси УНТ опреде-

9