Развития химии твердого тела

В 90-х годах XX века сформировалась новая междисциплинарная область в науке и технике, связанная с изучением, конструированием или сборкой структур, состоящих из нанообъектов, имеющих размеры менее 100 нм. В связи с этим возникли понятия – нанонаука, нанотехнология и наноинженерия. (Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. Под ред. Роко М.К., Уильямса Р.С., Аливисатоса П. М, 2002).

Отметим, что нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и связанных с ними явлений, нанотехнология – созданием твердотельных структур на базе нанообъектов, то есть синтезом наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов использования наноструктур в разных областях науки и техники (материаловедение, биология, медицина, наноэлектроника и вычислительная техника, космическое приборостроение, энергетика информационные технологии и др.).

Специфичность свойств твердых тел, состоящих из наночастиц, и связанные с этим новые физические явления обусловлены тем, что наноразмерные объекты характеризуются проявлением квантовохимических эффектов и доминирующей ролью поверхности раздела. Зависимость физико-химических свойств от размера ультрамалых частиц сказывается на их оптических спектрах, магнитных свойствах, электропроводности, каталитических свойствах, способности к адсорбции, способности к химическим взаимодействиям и т. д.

К числу уже известных наноструктур относятся углеродные нанотрубки, белки, молекулы ДНК, работающие при комнатных температурах «одноэлектронные» транзисторы. Необычные свойства наноразмерных частиц металлов, их причины и пути использования рассмотрены ранее в лекции «Металлы». Здесь же обратим внимание на наиболее перспективные направления синтеза наноструктур путем «сборки» из отдельных атомов или групп атомов. Осуществление такого синтеза стало возможным на базе достижений химии твердого тела, коллоидной химии, химии поверхности, физики полупроводниковых гетероструктур, биологии и ряда других отраслей науки, а также в значительной мере – путем заимствования способов самосборки природных объектов в окружающем нас мире.

Важнейшим инструментом для создания наноструктур является проведение химических реакций на поверхности раздела фаз. В основу разработки новых материалов и методов их получения положена идея об использовании молекулярного наслаивания или химической сборки структурных единиц на соответствующих матрицах. Подобная сборка проводится по специальным программам. Таким образом, прямой синтез твердых тел с его нередко трудными условиями, задаваемыми термодинамикой, кинетикой процесса, тепло- и массопереносом, заменяется ступенчатым: чередованием в определенной последовательности актов необратимой химической сорбции. Химическая энергия экзотермического процесса используется для принудительного размещения структурных единиц в заранее намеченном порядке. Преимуществом такого метода является возможность проведения процесса при сравнительно невысоких температурах и давлениях более низких, чем равновесные. Вместо самопроизвольной укладки структурных единиц, идущей в процессе кристаллизации, осуществляется их принудительная укладка в заданном порядке, то есть реализуются заданные состав и строение твердого тела.

Поскольку, изменяя температуру и другие условия, при которых проводится химическая сборка, можно влиять на плотность укладки структурных единиц (длины, углы межатомных связей), продукты синтеза могут иметь регулярную, но не обязательно периодическую структуру. Помимо кристаллических структур, можно создавать иные, значительно более сложные, количество которых бесконечно. Можно получать любые метастабильные «закаленные» структуры при обычных условиях.

Наноструктурированные материалы или системы, содержащие наночастицы, можно изготавливать и другим путем – вводя в систему (в ее объем или на поверхность) готовые ультрамалые частицы. Для этого необходимо синтезировать последние, причем желательно обеспечивать заданные строго определенные размеры, форму, состав поверхности частиц, а нередко также их взаимное расположение друг относительно друга. Для таких целей используют процессы химического восстановления в растворах, паровой и твердой фазах, реакции в мицеллах, эмульсиях, дендримерах, фото- и радиационнохимическое восстановление, приемы криохимического и электрохимического синтеза.

В наступившем столетии нанонаука и нанотехнология будут играть важнейшую роль, а вызванные этим преобразования могут быть сравнимыми по масштабам с революцией в науке и технике, которая произошла в семидесятых годах двадцатого столетия при переходе к микроэлектронным устройствам.

Программа курса

Химия твердого тела

Введение. Предмет и задачи курса Химия твердого тела. Общие особенности энергетического строения, структуры, физико-химических свойств и реакционной способности твердых веществ. [19, 31, 34].

Поиск по сайту: