Методы модификации свойств кластеров

Ф

Атом вольфрама

Рис. 2.7. Кластер из 12 атомов кремния и так называемого «гостя» - атомы вольфрама [39*]

изические и химические свойства кластера можно целенаправленно изменять, вводя в него атомы других элементов. На рисунке 2.7 изображен кластер из двенадцати атомов кремния, окружающих атом вольфрама. Подобные кластеры считаются перспективными для получения эффективных катализаторов, для использования в квантовых компьютерах и пр. «Играть» свойствами кластеров можно также за счет их взаимод ействия друг с другом или со средой, в которой они находятся.

В нанокомпозитах нанокластеры используются как наполнитель основной среды (матрицы), в качестве которой часто выступает полимерный материал. Взаимодействие наночастиц наполнителя друг с другом и с матрицей существенно определяет механические, электрические, тепловые и другие свойства композита.

В катализе наноструктуры использовались давно. Часто кластеры металла помещают на подложку-носитель (оксидные, углеродные материалы). Такие катализаторы участвуют в крупнотоннажном производстве углеводородного сырья, органическом синтезе и пр. И в этом случае проявляются основные особенности кластеров:

• резкое отличие их свойств, в том числе каталитической активности, от свойств отдельных атомов и микроскопических частиц. Каталитическая активность при этом может расти вместе с увеличением числа атомов в кластере или уменьшаться;

• взаимодействие кластеров между собой и с подложкой. Эксперименты показывают, что каталитическая активность и электрические свойства такой системы зависят от перераспределения электрического заряда между кластерами и подложкой. Электроны и дырки могут перемещаться в результате туннельного эффекта, если расстояние между кластерами или кластерами металла и проводящей подложкой составляет) 1-2нм;

• склонность к самоорганизации за счет взаимодей­ствия отдельных кластеров металла (например, Со) между собой (см. рис. 3.7).

Области применения кластеров

Кроме электроники одной из важнейших областей применения нанокластеров является медицина, прежде всего диагностика. Характерное свойство нанокристаллов полупроводников - интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определенной частотой - оказалось незаменимым при диагностировании раковых опухолей. Поскольку при росте опухоли создаются дополнительные кровеносные сосуды и система этих сосудов очень пористая и разветвленная, нанокристаллики накапливаются в основном в них, и люминесцентное излучение пораженных участков существенно сильнее, чем здоровых. Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Другой путь - активный - использует нанокластеры, химически связанные с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. В этом случае нанокластеры активно накапливаются именно в опухоли, фиксируя ее местоположение.

Для создания таких нанокластеров обычно используются соединения атомов элементов II и VI групп таблицы Менделеева (условно такую молекулу определяют общей формулой AnBVI) или атомов элементов III и V групп (AinBv). Можно управлять формой квантовых точек, получать наностержни и более сложные фигуры.

Для анализа биологических объектов обычно используются органические флюоресцирующие вещества. Флюоресцентные полупроводниковые нанокристаллы по ряду свойств оказались лучше. У них большая яркость и узкое распределение по частотам излучения. Так, свечение кластеров селенида кадмия (CdS), защищенных моноатомным слоем селенида цинка ZnS, в 20 раз ярче, чем свечение органических красителей-люминофоров, а стабильность во времени выше в 100-300 раз. С их помощью можно длительное Время наблюдать процессы в биологической системе.

Важно, что частота излучения квантовой точки зависит от ее размеров. При этом возбуждать квантовые Точки можно одним и тем же источником света. Размерами кластеров можно управлять в процессе их получения с помощью температурного режима или времени роста.

Например, кластеры селенида кадмия размером от 8 до 6 нм излучают в диапазоне, начиная от видимого г олубого до инфракрасного. При этом возбуждать квантовые точки можно одним и тем же источником света, в частности ртутной лампой.

Разработан метод лечения с использованием магнитного поля, действие которого вызывает достаточно сильный разогрев активных нанокластеров, и связанные с ними раковые клетки погибают без вреда для клеток здоровых.

Кроме медицины и электроники, нанокластеры получили широкое промышленное применение в произ­водстве принципиально новых материалов и покрытий, в парфюмерии.

Особый интерес представляет применение в парфюмерии и медицине наночастиц серебра и золота [8]. Причиной этого является химическая инертность благородных металлов в массивных образцах и вместе с, тем особенности их участия в обмене веществ в живом организме.

В течение многих веков золото и серебро использовались для лечения и профилактики болезней. В Индии примерно три тысячи лет назад применяли золотосодержащие эссенции из масел и растительных экстрактов. В Древней Греции смесью золотого порошка и чес­нока лечили грипп. Ко дворам королей Польши и Пруссии поставляли «Солнечный эликсир», содержащий лекарственное золото. Серебряная посуда и приборы традиционно рассматривались как защита от кишечных заболеваний. В XX в. коллоидное золото использовали для лечения многих воспалительных процессов.

Н анокластеры из оксида цинка имеют уникальное свойство поглощать электромагнитное излучение в широкой области частот - от радиочастот до ультрафиолета. Их можно использовать в солнцезащитных кремах, очках и для создания «невидимых» покрытий.

Д

Рис. 2.8. «Микрокочки» на листе лотоса [Компьютера, 19.10.05]

ля нанотехнологии в целом характерно использование «достижений» живой природы, сформировавшихся за миллионы лет эволюции.

Лист лотоса, покрытый «микрокочками» (рис. 2.8), послужил образцом для создания самоочищающегося стекла: капли воды больше таких «нанопупырышков» и остаются лежать на них, не растекаясь по стеклу и не смачивая его. Внешне стекло остается прозрачным. Такое покрытие может быть также использовано в микроустройствах для уменьшения трения.

Форма некоторых нанокластеров удивительно напоминает цветы, деревья, шишки (рис. 2.9, 2.10), что подтверждает единство процессов самоорганизации в неживой и живой природе.

Д ля получения нанокластеров и материалов на их основе используются разнообразные физические, химические и физико-химические методы.

Лекция: Магнитные кластеры и нанослои