Загальні запитання та завдання для самостійної роботи № 1

1. Один з засновників нанонауки, американський фізик Р. Фейнман, в темі про теоретичну можливість механічно маніпулювати окремими атомами, ще в 1959 р. сказав фразу, що стала знаменитою: «Там внизу багато місця» («There's plenty of room at the bottom »). Як Ви розумієте вислів вченого?

2. Що називають нанонауками? Нанотехнологією?

3. Прокоментуйте фразу «кожна речовина має нанорівень». Наведіть 5 прикладів.

4. Опишіть місце нанохімії в нанонауках. Міждисциплінарність нанонауки.

5. Історія виникнення нанотехнологій. Який період має назву « третя науко-технічна революція»?

6. Міждисциплінарність та мультідисциплінарнісь нанонаук. Приклади.

7. Природні та синтетичні наночастки. Біоміметики.

8. Який різновид атомів карбону був відкритий у 1985 році? Яка структура та форма фулеренів? Номенклатура.

9. Поняття «наномасштаб». Порівняльна характеристика макро- , мікро- , ультрадисперсних та наночастинок.

10. Особливості взаємодій в наномасштабі. Квантові та розмірні ефекти.

11. Залежність фізико- хімічних властивостей речовини та матеріалів від ступеню дисперсності та розмірів наночастинок.

12. Мікро- та наноелектроніка. Закон Мура.

13. Приклади товарів, створених з використанням нанотехнологій і причини їх унікальних властивостей.

14. Визначення терміну «наноматеріал». Приклади. Використання.

15. Чому матеріали в масштабі «нано» поводять себе нетрадиційним шляхом і показують властивості, відмінні від тих, які вони мають в макростані. Що робить наноматеріали унікальними?

16. Поясніть зміст поняття «розмірний ефект». У яких властивостях він проявляється?

17. Як називається книга Еріка Дрекслера, що присвячена нанотехнологіям? Які основні дискусії відбувалися навколо неї? Поясніть Вашу точку зору та аргументуйте.

18. Яке з висловлювань відповідає визначенню нанотехнології, даному в Національній нанотехнологічної ініціативи США? Поясніть кожне з них 1) Нанотехнології - це технологія створення наноматеріалів 2) Нанотехнології - це технологія майбутнього 3) Сутність нанотехнології в здатності працювати на молекулярному рівні, атом за атомом створювати великі структури з фундаментально нової молекулярної організацією.  4) Суть нанотехнології в створенні наномеханізмів.

19. Що означає термін "нано"? Зробіть порівняльний аналіз розмірів та властивостей макро, мікро та нано- об’єктів. Наведіть по три приклади.

20. Проаналізуйте національну програму «Нанонауки та Нанотехнології України». Розгляньте пріоритетні напрямки досліджень в галузях нанотехнологій в Україні та світі.

21. Історія нанотехнологій. Які відкриття зробили наступні вчені ( та їх вплив на розвиток цієї галузі): Річард Фейнман, Стівен Хоккінг, Ерік Дрекслер, Норіо Танігучі, Біннінг, Рорер, Смоллі.

22. Поясніть основу «формулу» нанотехнологій – зв'язок «структура-властивість». Наведіть декілька конкретних прикладів.

23. Розгляньте унікальні властивості наностуктур та наноматеріалів:

- чи колір макрооб’єкту залежить від розмірів часток на нанорівні?

- міцність матеріалів зростає чи ні?

- температура плавлення зменшується чи збільшується?

- реакційна здатність речовин зростає чи ні?

- чи з'являється здатність до самозбірки?

24. Зміни властивостей наноматеріалів пов'язані з двома основними причинами: збільшенням частки поверхні і зміною електронної структури в силу квантових ефектів. Поясніть цей тезіс та наведіть приклади.

25. Дайте визначення поняттю «наноматеріали». Які види наноматеріалів ви знаєте?

26. Чому відкриття та впровадження скануючого тунельного мікроскопу надало поштовх розвитку нанотехнологій. Розгляньте історію відкриття СТМ, принципи дії та його використання?

27. Наведіть приклади інструментів нанотехнологій. В чому їх специфіка?

28. Розгляньте 4 основні технології розробки наноматеріалів (загальні принципи): самозбірка та самоорганізація, керування матеріалом в зовнішніх полях, хімічне наноманіпулювання, атомно-молекулярне маніпулювання.

29. Розгляньте загальну класифікацію об'єктів, що належать до сфери нанотехнологій: штучні (синтетичні) низькорозмірні об'єкти ( нанокристали, наночастки, нанотрубки); наноструктури; наноматеріали.

30. Зробіть загальну класифікацію методів отримання наноматеріалів та розгляньте історію розвитку впровадження цих технологій.

Самостійна робота № 2

Об'єкти нанохімії - наночастки та наноматеріали. Класифікація наночастинок, наноструктур та матеріалів.

Об'єкти нанотехнологій, з одного боку, можуть мати характеристичні розміри зазначеного діапазону:

-наночастинки, нанопорошки (об'єкти, у яких три характеристичних розміри знаходяться в діапазоні до 100 нм);

-нанотрубки, нановолокна (об'єкти, у яких два характеристичних розміри знаходяться в діапазоні до 100 нм);

-наноплівки (об'єкти, у яких один характеристичний розмір знаходиться в діапазоні до 100 нм).

З іншого боку, об'єктами нанотехнологій можуть бути макроскопічні об'єкти, атомарна структура яких контрольовано створюється з дозволом на рівні окремих атомів.

Існує багато різних способів класифікації нанооб'єктів. Згідно найпростішої з них всі нанооб'єкти підрозділяють на два великі класи - суцільні («зовнішні») і пористі («внутрішні»).

Суцільні об'єкти класифікують за розмірністю:

1) об'ємні тривимірні (3D) структури, їх називають нанокластерами

(«cluster» - скупчення),

2) площинні двовимірні (2D) об'єкти - наноплівки,

3) лінійні одномірні (1D) структури - нанонитки, нанодроти (nanowires),

4) нульмірні (0D) об'єкти – наноточки (крапки), або квантові точки (dot).

До пористих ( 1- 100 нм) структур відносять нанотрубки і нанопористі матеріали, наприклад аморфні силікати ( зверніть увагу - мезопористі матеріали мають діапазон від 100 мікрон до 100 нм).

Зрозуміло, ця класифікація, як і будь-яка інша, не є вичерпною. Вона не охоплює досить важливий клас наночасток - молекулярні агрегати, отримані методами супрамолекулярної хімії.

Серед наноматеріалів можна виділити кілька основних різновидів:

консолідовані наноматеріали, нанонапівпровідники, нанополімери,

нанобіоматеріали, фулерени і тубулярні наноструктури, каталізатори,

нанопористі матеріали та супрамолекулярні структури.

До консолідованих наноматеріалів відносять компакти, плівки і покриття з металів, сплавів і сполук, що отримуються методами порошкової технології, інтенсивної пластичної деформації, контрольованої кристалізації з аморфного стану і різноманітними прийомами нанесення плівок і покриттів.

Нанонапівпровідники, нанополімери і нанобіоматеріали можуть бути як в

ізольованому, так і частково в консолідованому стані, утворюючи також

гібридні (змішані) матеріали.

Фулерени і тубулярні наноструктури стали предметом численних

досліджень, починаючи з 1985 р., коли була ідентифікована нова алотропна форма карбону - кластери С₆₀ і С₇₀ - фулерени (роботи нобелівських лауреатів Н.Крото, Р.Керлу і Р.Смоллі), і особливо з 1991 р., коли японський вчений Ііджіма виявив карбонові нанотрубки в продуктах електродугового випаровування графіту. Зазначимо, що об'єкти типу фулеренів і нанотрубок спостерігалися і раніше.

Нанопористі матеріали характеризуються розміром пор, як правило, менш 100 нм. Каталізатори, також один з прикладів давно досліджуваних і широко застосовуваних нанооб'єктів. Супрамолекулярні структури - це наноструктури, одержані в результаті так званого нековалентного синтезу з утворенням слабких (ван-дер-ваальсових, водневих та ін) хімічних зв'язків між молекулами та їх ансамблями.

Наночастки (нанопорошки) - це малорозмірні тверді речовини, геометричний розмір яких змінюється від 1 до 100 нм. Поняття «наночастинки» і «нанопорошки» багато в чому перекриваються, але, звичайно, слід мати на увазі можливий ізольований характер перших і обов'язково сукупний вид останніх (порошок – це сукупність, що утворюється в зіткненні індивідуальних твердих частинок невеликих розмірів (від 0,001 до 100 мкм). Вважається, що наночастинки з зменшенням розміру переходять в кластери, які містять від 10 до декількох тисяч атомів (по різними даними, приблизно до 2000 - 10000). Виявилося, що найчастіше в потоці кластерів зустрічаються ті, що складаються з певного числа частинок (найбільш стійкі, стабільні). Ці числа називаються магічними, їх набір дозволяє зрозуміти, як з окремих частинок «складені» кластери. Тим самим можна простерігати шлях формування структури і властивостей макроскопічного тіла, починаючи від окремих атомів і молекул. Якщо наступні оболонки з частинок також повністю заповнені, це відповідає числу частинок (магічним числам) 55, 147, 309, 567 (структура ікосаедра). Число частинок N_n в оболонці №n можна підрахувати за формулою N_n = 10 n² + 2. Таким чином, у першій оболонці навколо одного атома знаходиться 12 атомів і магічне число N₁= 13. У другій оболонці знаходиться 42 атома, (42 + 13) отримуємо магічне число N₍₂₎ = 55 і т.д. Набір магічних чисел у структурі додекаедру : 7, 29, 66, 118 і т.д.

До наночасток зараз відносять і напівпровідникові квантові точки (КТ , англ. quantum dot чи nano-dot скор., QD; ND) - частка матеріалу з розміром, близьким до довжини хвилі електрона в цьому матеріалі (зазвичай розміром 1-10 нм), всередині якої потенційна енергія електрона нижче, ніж за його межами, таким чином, рух електрона обмежен у всіх трьох вимірах ( штучний атом), і полімерні дендримери (інакше арборол (англ. dendrimer) - макромолекула із симетричною деревоподібною структурою, з регулярними розгалуженнями).