Нанохімія

Визначення і загальна характеристика

НАНОХІ́МІЯ (від нано... та хімія). Термін «Н.», за­пропонований у серед. 1990-х рр., означає, що при пере­ході від атом­но-­молекуляр. до надмолекуляр. рівня структур. організації речовини в неї зʼявляються особливі фіз.-хім. властивості. Предметом Н. є фіз.-хім. дослідж. наносистем. Стрімкий роз­виток прецизій. техніки, зокрема сканувал. мікро­скопів (див. Нанотехнології), до­зволив ви­вчати речовини на рівні окремих атомів та молекул. При цьому виявилося, що одна й та ж речовина може сут­тєво змінювати свої хім. властивості та реакційну здатність залежно від кількості атомів у досліджуваному зразку і його роз­міру. Першим звернув на це увагу англ. фізико-хімік М. Фарадей, який зміг одержати колоїдну суспензію частинок золота. На від­міну від свого компакт. стану одержаний зразок був фіолет. кольору. Кількість атомів у частинці навіть на­звали «третьою координатою» таблиці Д. Менделєєва (поряд із групою та періодом). Саме перші досліди з одержа­н­ня нано­скопіч. частинок при­звели до збільшеної зацікавленості до Н. в наук. колах. Виявилося, що частинки нанометр. роз­мірів мають під­вищену хім. активність і реакції за їх участі протікають значно активніше. Ця властивість наночастинок спонукала до створе­н­ня нових ефектив. каталізаторів. Нині вчені вміють одержувати нано­структури практично всіх хім. елементів. В остан. час стало ві­домо, що наночастинки срібла набагато краще вбивають бактерії, ніж срібло в компакт. стані, що робить їх корисними для очище­н­ня води й боротьби з інфекціями. Частинки металів роз­міром менше 10 нм, які називають кластерами, мають високу хім. активність і здатні вступати в реакції з ін. речовинами практично без будь-якої додатк. енергії. Властивості наносистем на­стільки від­різняються від властивостей макро­скопіч. кількостей тих самих речовин, що їх ви­вчає окремий наук. напрям — фізико-хімія наносистем, або Н.

У 1-й пол. 20 ст. найбільший внесок у роз­виток Н. зробили фахівці, які ви­вчали колоїди, а в 2-й пол. — полімери, білки, природні сполуки, фулерени й нанотрубки. Активно роз­виваючись в остан­ні десятиріч­чя, Н. досліджує властивості різних нано­структур, а також роз­робляє нові методи їх одержа­н­ня, ви­вче­н­ня та модифікації. Однією із пріоритет. задач Н. є встановле­н­ня звʼязку між роз­міром наночастинки та її властивостями. Для пром. одержа­н­ня нано­частинок існує багато способів: біо­­хім., радіац.-хім., фотохім., елек­тро­вибух., мікроемульсій., детонац., конденсац., вакуумне випаровува­н­ня тощо. У науці існує чимало спроб класифікувати обʼєкти Н. Прикладами наносистем можуть бути багатоатомні кластери й мо­лекули, нанокраплі та нанокри­стали. Такий під­хід до­зволяє роз­глядати одиничні атоми як нижню межу Н., а верх­ня границя — це така кількість атомів в обʼєкті, подальше збільше­н­ня якої призводить до втрати специф. властивостей наночастинки — вони стають аналогічними властивостям компакт. речовини. Кількість атомів, що ви­значають верх­ню межу, індивідуальна для кожної речовини. За геом. ознакою нано­обʼєкти можна класифікувати з різних точок зору. З одного боку, характеризують вимірність обʼєк­та кількістю вимірів, в яких обʼєкт має макро­скопічні роз­міри, з іншого — беруть за основу кількість нано­скопіч. вимірів. Інте­грува­н­ня обох під­ходів наведено в Табл.

Класифікація нанообʼєктів за їх вимірністю важлива не лише з формал. точки зору. Геометрія сут­тєво впливає на їхні фіз.-хім. властивості. Залежно від речовини, форми кластерів і типу звʼязку між атомами існує велика різноманітність нанообʼєктів: фулерени (одержали свою назву на честь амер. інж.-винахідника Р.-Б. Фул­лера, який придумав подібні структури для викори­ста­н­ня в арх-рі; їх широко за­стосовують для створе­н­ня нових мастил і антифрикц. покрит­тів, нових типів палива, алмазоподіб. сполук надвисокої твер­дості, датчиків та фарб), нано­трубки (1991 япон. проф. Суміо Іїдзіма виявив довгі вуглецеві циліндри, що одержали цю назву; унікал. властивості нанотрубок до­зволяють використовувати їх у біо­­технології створе­н­ня штуч. мʼя­зів, як мікро­скопічні контейнери для зберіга­н­ня і транс­портува­н­ня хімічно або біо­логічно актив. речовин — білків, отруй. газів, компонентів палива і навіть роз­плавлених металів, створювати на їх основі ефективні носії каталізаторів для різних процесів, надлегкі й надміцні композиц. матеріали; пер­спективним є за­стосува­н­ня нанотрубок при створен­ні нових біо­технологій при лікуван­ні захворювань тощо), іонні кластери (знаходять за­стосува­н­ня в створен­ні фотоплівок високої чутливості, молекуляр. фотодетекторів, різних ділянках мікро­електроніки та електрооптики), алмазо­їди (одним із осн. сучас. за­стосувань наноалмазів є полірува­н­ня електрон. та оптич. матеріалів для електроніки, радіотехніки, оптики, медицини, машинобудува­н­ня, юве­лір. промисловості; їх за­стосува­н­ня сут­тєво покращує якість мікроабразив. і полірувал. засобів, мастил. матеріалів, полімер. композитів, гуми, каучуків, систем магніт. запису; введе­н­ня наноалмазів в полімери, гуму й пластмаси під­вищує їхню міцність та зносо­стій­кість; алмазоїд є першим у списку матеріалів, з яких у пер­спективі можуть бути виготовлені мед. наноінструменти і нанороботи) тощо.

Одним із гол. практ. за­стосувань Н. є виробництво різних наноматеріалів шляхом роз­робле­н­ня й упровадже­н­ня нанотехнологій. Завдяки специф. властивостям наночастинок такі матеріали часто пере­вищують звичайні крупнокри­сталічні за багатьма параметрами. Напр., міцність металу, одержаного методами нанотехнології, пере­вищує міцність звичайного в 1,5–2, а в деяких випадках і в 3 рази. Твердість його більша в 50–70, а корозійна стійкість — у 10–12 разів. Різноманітність наноматеріалів з унікал. властивостями дуже широка: це і надлегкі, надміцні нанопокри­т­тя для будь-чого — від літаків до різал. інструментів, і тканини, що само­очищуються, і матеріал, що захищає людину від шкідл. впливу радіови­промінюва­н­ня. Окрім покращен­ня властивостей звичай. пром. матеріалів, роз­виток Н. спонукає до все більшого роз­по­всюдже­н­ня т. зв. розум. матеріалів. Такі матеріали активно реагують на зміни довкі­л­ля й змінюють свої властивості залежно від об­ставин. Свого часу металурги вина­йшли метал, що «потіє», для захисту пром. обʼєктів від високих т-р. Цей матеріал — порувата сталь із вкрап­ле­н­нями наночастинок міді. Оскіль­ки температура плавле­н­ня міді менша, ніж сталі, то як тільки зовн. температура досягає деякої критич. межі, метал починає активно «потіти»: мідь роз­ширюється й крізь пори виходить на поверх­ню, виносячи надлишок тепла із системи. Остигаючи, краплі міді знову «всмоктуються» стальними капілярами, і матеріал повертається у вихід. стан. У медицині почали широко використовувати фулерени. Так, модифіков. фулерени С60 здатні звʼязувати вільні кисневі радикали, є сильними антиокси­дантами й радіо­протекторами. Виявлено противірусну й антибактеріал. дію фулереновміс. похідних, зокрема проти ВІЛ та бактерій, що спричиняють менінгіт. Встановлено здатність водорозчин. похідних фулеренів проникати крізь клітин­ні мем­­брани. Внаслідок цього фулерени з радіо­актив. елементами можуть виконувати функції маркерів і точк. джерел радіо­актив. ви­промінюва­н­ня, що уможливлює проведе­н­ня радіотерапії на рівні окремої клітини. Отже, вже нині вчені можуть без­посередньо впливати на окремі атоми чи молекули, маніпулювати речовиною, проводити синтези на молекуляр. рівні. Це від­криває унікал. можливості щодо створе­н­ня нових видів матеріалів із попередньо ви­значеними властивостями. Успіш. роз­виток нанотехнологій став можливим завдяки створен­ню новіт. методів синтезу, контролю будови нано­структур, високоточ. вимірюва­н­ня їх параметрів у манометр. діапазоні, від­кри­т­тю дивовиж. явищ у квантово-роз­мір. сис­темах та успішного їх викори­ста­н­ня в різних галузях, це при­­звело до взаємо­збагаче­н­ня знань і формува­н­ня на їх стику нових дисциплін.

Стрімкий роз­виток нанонауки й на­но­технологій об­умовив необхідність уведе­н­ня до про­грам університетів навч. дисциплін «Нанохімія», «На­нохімія та нанотехнологія» для студентів закладів вищої освіти України, зокрема Київ. університету, Нац. тех. університету України «Київ. політех. ін­ститут» та ін. При скла­дан­ні навч. про­грам автори спираються на наук. праці провід. учених України — С. Волкова, В. Огенка (Ін­ститут заг. та неорган. хімії НАНУ), Є. Ковальчука, О. Решетняка (Львів. університет), П. Горбика (Ін­ститут хімії поверх­ні НАНУ) та ін., а також ві­домих рос. дослідників у галузі Н. — Г. Сергєєва, М. Рамбіді, Н. Кобаясі. Загалом в Україні більшість дослідж. в галузі Н. зосереджені в установах НАНУ (окрім зга­даних, також в Ін­ститутах про­блем матеріало­знавства, фіз. хімії). У результаті ви­вче­н­ня процесів самоорганізації, поверхн. явищ, Н. та електрохімії, каталізу, діагностики і моделюва­н­ня систем, створе­н­ня гібрид. нанокомпозитів, колоїд. систем, напів­провід­ників квантово-роз­мір. матеріалів електрон. техніки, біо­суміс. керамік, зʼ­єд­на­н­ня і зварюва­н­ня елементів кон­струкцій створ. низку нових матеріалів із поперед­ньо ви­значеними властивостями, які вже за­стосовують в Україні.

Літ.: Сергеев Г. Б. Нанохимия. Москва, 2003; Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию: Учеб. Москва, 2005; Волков С. В., Ковальчук Є. П., Огенко В. М., Решетняк О. В. Нанохімія, наносистеми, наноматеріали. К., 2008; Рамбиди Н. Г., Березкин А. В. Физические и химические осно­вы нанотехнологий. Москва, 2008; Заячук Д. М. Нанотехнології і нано­структури: Навч. посіб. Л., 2009; Елисеев А. А., Лукашин А. В. Функциональные нано­ма­те­риалы. Москва, 2010; Горбик П. П., Туров В. В. Наноматериалы и нанокомпо­зиты в медицине, биологии, экологии. К., 2011; Коваленко І. В., Лисін В. І., Андрійко О. О. Нанохімія і нанотехнології: Навч. посіб. К., 2014; Хорошилова Т. І., Хромишев В. О., Рябов С. В., Хромишева О. О. Нанохімія: Під­руч. Мелітополь, 2014; Богуслаев В. А., Качан А. Я., Калинина Н. Е. и др. Наноматериалы и нанотехнологии: Учеб. З., 2014; Афтанділянц Є. Г., Зазимко О. В., Лопатько К. Г. Наноматеріало­­знав­ство: Під­руч. Хн., 2015; Завражна О. М., Пасько О. О., Салтикова А. І. Основи нано­технологій: Навч.-метод. посіб. С., 2016; Горобець С. В., Горобець О. Ю., Горбик П. П., Уварова І. В. Функціональні біо- та наноматеріали медичного при­значе­н­ня. К., 2018.

І. В. Коваленко, В. І. Лисін, Н. Є. Власенко, О. О. Андрійко

Завантажити статтю