Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический универси-
тет»
Я.А. Верещагина
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.
ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Казань
КГТУ
2009
УДК: 66.0
ББК
Верещагина, Я.А.
Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии :
учебное пособие / Я.А. Верещагина. – Казань : Изд-во Казан. гос.
технол. ун-та, 2009. – 115 с.
ISBN 978-5-7882-0778-0
Пособие соответствует авторскому курсу дисциплины «Современный инжиниринг химико-технологических процессов» направления подготовки инженеров по специальности 240802.65 «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика».
Рассмотрены основные направления развития нанотехнологий; методы получения и изучения наночастиц и наноматериалов,
свойства наноструктур и возможности их применения в различных
сферах.
Предназначено для студентов пятого курса факультета нефти
и нефтехимии, изучающих дисциплину «Современный инжиниринг
химико-технологических процессов» в рамках подготовки инженеров.
Подготовлено на кафедре общей химической технологии.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета
Рецензенты: проф. Соломонов Б.Н.
проф. Захаров А.В.
В
ерещагина Я.А., 2009.
Казанский государственный тех-
нологический университет, 2009.
Содержание
Введение 6
Глава 1. История возникновения и развития нанотехнологии 8
Глава 2. Наночастицы и нанокластеры 15
2.1. Металлические нанокластеры и их свойства 15
2.2. Кластеры атомов редких газов и молекулярные кластеры
2.3. Методы производства наночастиц 18
2.3.1. Лазерное испарение 20
2.3.2. Высокочастотный индукционный нагрев 20
2.3.3. Термолиз 22
2.3.4. Импульсный лазерный метод 22
2.3.5. Химические методы 23
Глава 3. Методы изучения наноструктур 24
.1. Структура наноматериалов 25
3
3.1.1. Кристаллография 25
3.1.2. Определение размеров частиц 26
3.2. Микроскопические методы 27
3.2.1. Просвечивающая электронная микроскопия 28
3.2.2. Ионно-полевая микроскопия 29
3.2.3. Сканирующая микроскопия 29
3.3. Спектроскопические методы 32
Глава 4. Углеродные наноструктуры 33
4.1. Углеродные кластеры 33
4.2. Фуллерены 35
4.2.1. Открытие фуллеренов 35
4.2.2. Свойства фуллеренов 36
4.2.3. Неуглеродные фуллереноподобные кластеры 37
4.3. Углеродные нанотрубки 38
4.3.1. Строение нанотрубок 38
4.3.2. Методы получения нанотрубок 40
.3.3. Свойства нанотрубок и их применение 42
4
4.4. Кристаллические неорганические нановолокна 46
Глава 5. Объемные наноструктурированные наноматериалы 48
5
.1. Методы синтеза твердотельных структур 48
17
5.2. Механические свойства 50
5.3. Наноструктурированные многослойные материалы 50
5.3.1. Электрические свойства 51
5.3.2. Оптические свойства 52
5.4. Пористый кремний 53
5.5. Наноструктурированные кристаллы 53
5.6. Нанокристаллы для фотоники 54
Глава 6. Самосборка и самоорганизация 55
6.1. Процессы самосборки и самоорганизации 55
6.1.1. Образование полупроводниковых островков 57
6.1.2. Самособранные монослои 57
Глава 7. Катализ в нанонауке и нанотехнологии 60
7.1. Наноразмерные катализаторы 61
7.1.1. Пористые материалы 61
.1.2. Металлические нанокатализаторы 62
7
7.1.3. Коллоиды металлических наночастиц 63
7.1.4. Катализаторы на основе нанотрубок 64
7.2. Поверхностные явления и катализ 65
7.2.1. Определение и развитие наук, изучающих поверх-
ностные явления
7.2.2. Новая эра в изучении поверхностных явлений 68
Глава 8. Органические соединения и полимеры 69
8.1. Полимерные наноструктуры 69
8.1.1. Полимерные нанокристаллы 69
8.1.2. Проводящие полимеры 71
8.1.3. Блок-сополимеры 72
8.2. Супрамолекулярные структуры 73
8.2.1. Макроциклические соединения и их свойства 74
8.2.2. Дендритные молекулы 76
8.2.3. Супрамолекулярные дендримеры 78
Глава 9. Нанотехнологии в биологии и медицине 79
9.1. Биологические материалы 79
.1.1. Полипептиды и белковые наночастицы 80
9
9.1.2. Нуклеиновые кислоты. Двойная наноцепь ДНК 80
9
.1.3. Биологические наноструктуры 84
9.2. Нанофабрики 87
65
9.3. Вопросы безопасности нанотехнологий 89
9.3.1. Оценка потенциальных рисков 89
9.3.2. Воздействие наноматериалов на живые организмы 91
9.3.3. Проблемы лицензирования наноматериалов 93
Глава 10. Наномашины и наноприборы 94
10.1. Построение наноструктур методом «сверху-вниз» 94
10.2. Построение наноструктур методом «снизу-вверх» 97
10.3. Микроэлектромеханические системы 97
10.4. Наноэлектромеханические системы 99
10.5. Наноустройства 100
10.6. Молекулярные и супрамолекулярные переключатели 105
Заключение 108
Литература 114
ВВЕДЕНИЕ
Нанотехнология – одна из наиболее важных и захватывающих областей знания. Она относится к высоким технологиям и находится на переднем крае физики, химии, биологии, технических наук. Нанотехнология носит инновационный
характер, поскольку способствует возникновению новых направлений в технологическом развитии и подает большие надежды на скорые прорывы во многих сферах деятельности современного человечества.
Для широкомасштабного использования нанотехнологии важно иметь общие представления и некоторые конкретные знания, которые должны быть достаточно глубокими и
подробными для обстоятельного обхвата темы, и в то же время
достаточно доступными и законченными.
–
Текущий интерес к нанотехнологии восходит к 19961998 гг., когда правительственная комиссия США при содей-
ствии World Technology Evaluation Center (WTEC), изучив мировой опыт исследований и разработок в области нанотехнологий, выдала рекомендации по их использованию.
Нанотехнология базируется на понимании того, что
частицы размером менее 100 нанометров придают сделанным
из них материалам новые свойства и поведение. Это происходит вследствие того, что объекты с размерами менее характерной длины часто демонстрируют другие физические и химические свойства, то есть возникают так называемые размерные
эффекты – новое поведение частиц, зависящее от их размера.
Нанотехнология обладает громадным потенциалом –
от производства более прочных и легких конструкционных материалов до уменьшения времени доставки наноструктурированных лекарств в кровеносную систему, увеличения емкости
магнитных носителей и создания триггеров для быстрых компьютеров.
В основе нанотехнологии лежат междисциплинарные
исследования – от химии катализа наночастицами до физики
лазеров на квантовых точках. Для достижения успехов в области нанонауки и нанотехнологии исследователям необходимо периодически выходить за рамки их узкопрофессиональной
деятельности и кооперировать свои знания и умения. В свою
очередь, технические менеджеры, эксперты и те, кто принимает финансовые решения, должны разбираться в очень широком
круге дисциплин.
В настоящее время нанотехнология – системообразующий фактор экономики XXI века, основанной на знаниях, а не
на использовании природных ресурсов и их переработке. Нанотехнология стимулирует развитие новой парадигмы производственной деятельности: «снизу-вверх», т.е. от отдельных
атомов – к изделию, а не «сверху-вниз», как в традиционных
технологиях, в которых изделие получают, отсекая излишние
части от массивной заготовки. По мнению экспертов, начавшаяся нанотехнологическая революция охватит все жизненно
важные сферы деятельности человека (космос, медицина, национальная безопасность, экология, сельское хозяйство и т.д.),
а ее последствия будут обширнее и глубже, чем компьютерная
революция последней трети ХХ века. В этих условиях становится насущно необходимым взаимодействие между научнотехнической сферой и администраторами, потенциальными
инвесторами, сферой образования, органами государственного
управления.
ГЛАВА 1.
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И
РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Нано (в переводе с греческого – карлик) означает одну
миллиардную (10-9) часть чего-либо.
Нанотехнология – относительно новое слово, однако
структуры и устройства нанометровых размеров не новы и существуют на Земле столько же, сколько существует сама
жизнь. Например, раковина моллюска морское ушко склеивается наночастичками мела, т.е. структуры из наночастиц могут
быть намного прочнее материала, однородного в объеме.
Когда же возникло само понятие нанотехнологии? Разные исследователи склоняются к различным датам: 1981 г.,
974 г., 1959 г. или бронзовый век. Факты же свидетельствуют
1
о следующем.
В IV веке римские стекловары делали стекло с наночастичками металлов – золота и серебра (каждый кристалл величиной около 70 нм), которое меняло свой цвет с зеленого на
красный при изменении источника освещения.
Рис. 1. Чаша Ликурга, Рим, IV век (Британский музей)
Неподражаемые красота и своеобразие средневековых
витражей в католических храмах также обусловлены наличием
мельчайших частичек металлов в стекле.
а
б
Рис. 2. а) Собор Парижской Богоматери. Роза южного портала.
1260-е гг.; б) Собор в Шартре. «Богоматерь с младенцем». До
1200 г.
В 1661 г. Р. Бойль в работе «Химик-скептик» отмечает
потенциальную важность малых частиц металлов – кластеров.
В1857 г. М. Фарадей делает попытку объяснить, как металлические включения влияют на цвет витражного стекла, однако
удалось это сделать Г. Ми только в 1908 г. Технология фотографии, развитая в XVIII-XIX вв., основывается на образовании наночастиц серебра под действием света. В 1861 г. Максвелл делает первую цветную фотографию, а в 1883 г. появляется первая пленка в рулоне (Д. Истмен, «Кодак»). Конечно,
все эти ученые не осознавали, что имеют дело с нанотехнологиями, но совершенно ясно, что наноматериалы оказывают
влияние на нашу жизнь уже много столетий.
Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологией, сделал Ричард Фейнман (R. Feynman) в
своей знаменитой лекции «Там внизу полно места» («T
Plenty of Room at the Bottom»), прочитанной в 1959 г.на съезде
here’s
Американского физического общества. Он предположил, что
возможно перемещать атомы отдельно, механически, при помощи манипуляторов соответствующих размеров. Лекция эта
оказалась столь провидческой, что не доходила до людей, пока
до них не дошла технология. Р. Фейнман – один из самых одаренных и ярких ученых, величайший физик-теоретик своего
времени, в 1965 г. он стал лауреатом Нобелевской премии в
области физики за создание теории квантовой электродинамики.
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 г., назвав так производство изделий размером
порядка нанометров.
В 1980-х гг. этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в
книге «Машины создания: грядет эра нанотехнологии» («E
gines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology», 1986 г.) и
в своей докторской диссертации, выполненной в Массачусетском технологическом институте, для названия новой области
науки, которую он исследовал.
Активность в области нанонауки и нанотехнологии возросла в 1980-х гг. с появлением соответствующих методов
формирования наноструктур (например, металлические кластеры, фуллерены). В этом же десятилетии Г. Бинниг и Х. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (1981 г.), за
что в 1986 г. они были удостоены Нобелевской премии в области физики. Сканирующий туннельный и атомно-силовой
микроскопы явились новыми важными средствами наблюдения, изучения и атомного манипулирования для нанообъектов.
Двери в наномир были открыты!
Основные понятия нанотехнологии
Приставка «нано» − это скорее особое обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, чем просто характеристика
протяженности базового структурного элемента.
В дополнении ко второму изданию учебника-монографии
[
1] В.В. Лучинин излагает некоторые методические аспекты
n-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]