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 з’являються 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 зв’язку 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 об’єкти 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 об’єкті, 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 нано­об’єкти можна класифікувати з різних точок зору. З одного боку, характеризують вимірність об’єк­та кількістю вимірів, в яких об’єкт має макроскопічні розміри, з іншого — беруть за основу кількість наноскопіч. вимірів. Інтегрування обох підходів наведено в Табл.

Класифікація нанооб’єктів 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 зв’язку між атомами існує велика різноманітність нанооб’єктів: 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. м’я­зів, 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. об’єктів 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 зв’язувати 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, з’єднання і зварювання елементів конструкцій створ. низку нових матеріалів із поперед­ньо визначеними властивостями, які вже застосовують в Україні.

Завантажити статтю