Методы получения наноматериалов

П ри получении наноматериалов используются классические технологии, процессы самоорганизации (самосборки) и матричный синтез. Примером самосборки является регулярный нанофильтр из молекул антрахинона меди, образующийся при температуре жидкого азота (рис. 7.7). Разработчики фильтра предлагают его использовать, в частности, для «дышащего» покрытия имплантатов.

В супрамолекулярных материалах за счет самосборки с участием ионов металлов могут получаться разнообразные трехмерные структуры (см. рис. 7.6, б).

Примером матричного синтеза является получение вторичных структур на базе трековых мембран. В результате процесса электролиза получают металлические микро и нанопроволоки, выросшие в отверстиях трековой мембраны (см. рис. 7.1, б). Эти вторичные структуры можно применять в нелинейной оптике, для создания больших локальных электрических полей при масс-спектрометрии и пр.

В качестве матриц используются также природные нанопористые структуры. Введенные в регулярно расположенные поры цеолита небольшие кластеры «гости» образуют периодическую решетку.

Гибридные наноматериалы

В есьма перспективными считаются гибридные наноматериалы - композиты на молекулярном уровне, состоящие из неорганических, органических и биологических компонентов. Среди последних выделяется ДНК. В последние годы возросло число работ, использующих комплементарность ДНК для построения сложных структур, в том числе трехмерных. Свободные концы ДНК, называемые в генной инженерии липкими концами, используют для наращивания и разветвления структуры. В полости таких структур можно ввести различных «гостей». Американские ученые создали регулярную структуру из наночастиц золота (размером 5 нм) с помощью ДНК-сетки. Промежуточным этапом было прикрепление к наночастицам золота коротких цепочек ДНК, которые расходились от частиц радиально, как у «волосатой наносферы» (см. рис. 7.4). ДНК-сетка содержала участки, комплементарные «волоскам». Ячейки получившейся структуры оказались размером 38 нм. Показательно, что природа снова проявила «своеволие»: исследователи ожидали, что наночастицы соберутся внутри ячеек, но, как показали результаты АСМ, они расположились в узлах сетки (рис. 7.8).

В Калифорнийском технологическом институте разработана технология получения сложных двухмерных структур из молекул ДНК. Авторы назвали их ДНК-оригами. Эффектной демонстрацией возможностей метода стали «смайлик» и развертка полушария Земли с картой США и Южной Америки (рис. 7.9). Форма будущего ДНК-оригами разбивается на ключевые участки, в которых короткие цепи ДНК, состоящие из нескольких нуклеотидов, соединяются с подложкой. Это своеобразный стапель (леса), на который затем укладываются длинные цепочки молекул ДНК, состоящий из 7000 нуклеотидов. Для смайлика было использовано 200 ключевых точек. Для карты пришлось выстроить леса двух уровней. При этом исследователь должен сделать только шаблон со стапелями и поместить его в раствор, а ДНК из раствора самоорганизуется, приклеиваясь комплементарными основаниями к стапелям. К ним можно добавлять различные кластеры, например использовать как матрицу для нанесения белков. Поперечные размеры оригами, подобные изображенному на рисунке, составляют 100 нм, что определяется максимальной длиной цепочки ДНК.

Трехмерные конструкции из молекул ДНК после металлизации перспективны для использования в наноэлектронике.

Поставлена глобальная задача развития наряду с физическим материаловедением биологического материаловедения [4].