Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

В этой работе рассмотрены структура и свойства наноматериалов, их применение, а также технологии изготовления наноструктур. Показана роль химии в новой отрасли науки – нанотехнологии.

В работе: рис. 12, табл. 1, стр. 23, источников 8.

Ключевые слова: нанотехнология, наноматериалы, наночастицы, химия

Нанотехнологии – это современные инструментальные методы получения структур, веществ и материалов, путем манипулирования объектами, размеры которых составляют около одной миллиардной части метра.

Наноструктуры – объекты микромира, хотя бы один из линейных размеров которых не превышает 100 нм.

 Объемные трехмерные (3D) структуры – называются нанокластерами (cluster – скопление, гроздь). Получают взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок.

 Плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки. Получают методами молекулярного и ионного наслаивания, CVD и ALD-процессами.

 Линейные одномерные (1D) структуры – нанонити и нанопроволоки (nanowires). Молекулярное наслаивание, введением веществ в цилиндрические микропоры.

 Нульмерные (0D) объекты – наноточки (квантовые точки).

 Пористые структуры – нанотрубки, наношарики, и нанопористые материалы (цеолиты)

 Дендримеры – ветвистые структуры

 Нанокомпозиты – материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы.

На основе наноструктур с применением нанотехнологий создают наноматериалы, которые, как правило, обладают какими-либо уникальными свойствами.

Введение 5

Химические методы получения наноматериалов 6

Материалы, разработанные на основе наночастиц 11

Углеродные нанотрубки 11

Фуллерены 12

Графен 13

Эффект лотоса 15

Нанокапсулы 16

Заключение 18

Список использованной литературы 19

В последние годы много говорят о нанотехнологиях. И, конечно, ключевую роль в развитии нанотехнологии играет химия. Технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. В настоящее время это весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук.

Осаждение из газовой фазы (CVD-процесс). На начальном этапе исходное вещество (прекурсор) испаряют, применяя подходящие методы нагрева. Пары вещества разбавляют большим избытком потока инертного газа. Обычно используют аргон или ксенон. Полученную парогазовую смесь направляют на поверхность образа (подложку), охлажденную до низких температур. Формирование наночастиц на поверхности подложки является неравновесным процессом и зависит от ряда факторов: температуры подложки, скорости конденсации и т.д. получение наночастиц методом соконденсации нескольких веществ на охлаждаемой поверхности позволяет легко вводить в их состав различные добавки, а в процессе контролируемого нагрева, увеличивая подвижность наночастиц, осуществлять ряд новых и необычных синтезов [1].

Пример: каталитическое разложение углеводородов. Это наиболее практичный и массовый способ получения углеродных наноструктур. Он основан на термохимическом осаждении углеродсодержащего газа на поверхности горячего металлического катализатора. Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена C2H2 или метана C2H4 с азотом) пропускается сквозь кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700-1000°С. В трубке находится керамический тигель с катализатором – металлическим порошком. Разложение углеводорода приводит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десятков микрон. Геометрические параметры нанотрубок в существенной степени определяются условиями протекания процесса (время, температура, давление, сорт буферного газа), а также степенью дисперсности и сортом катализатора (рис.1) [2]:

Частицы катализатора в этом процессе выступают в роли зародышей. Атомы углерода осаждаются на поверхности субстрата, соединяясь в нанотрубку, которая растет снизу вверх.

Синтезировать наноструктуры можно и в растворе. Например, получение наночастиц золота осуществляют восстановлением золотохлористоводородной кислоты (тетрахлороаурат (III) водорода) и ее солей. При добавлении к соли золотохлористоводородной кислоты лимонной кислоты, образуются атомы золота:

AuCl4- + 3H+ = Au+ + 3H+ + 4Cl-

Отдельные атомы соединяются между собой, превращаясь во все более крупные кристаллы.

Чтобы не образовалось обычное кристаллическое золото, реакцию проводят в присутствии поверхностно-активных веществ, прежде всего тиолов (RSH), рост кристаллов можно затормозить:

Au + RSH = AuSR(защитный слой) + ½ H2

Размер частицы зависит как от концентрации золота, так и от концентрации поверхностно-активного вещества [2].

Любой метод получения наночастиц приводит к тому, что образуются наночастицы различных размеров [2].

Это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена (рис.7). Нанотрубки образуются на поверхности угольных электродов при дуговом разряде, в результате испарения атомов углерода с поверхности электродов и последующей конденсацией. Диаметр однослойных нанотрубок около 1 нм, а их длина может быть в миллионы раз больше. В нанотрубки можно внедрить различные наночастицы (рис.2) [3]:

Возможные применения нанотрубок:

 Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

 Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

 Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

 Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

 Миниатюрные датчики для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях [2].

Фуллерены, бакиболы или букиболы — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода (рис.3):

Области применения:

 Аккумуляторы и электрические батареи

 Добавки для получения искусственных алмазов методом высокого давления(выход алмазов увеличивается на ≈30

 Создание новых лекарств

 Огнезащитные краски

 Изготовление солнечных элементов

Химические свойства фуллеренов: к каждой такой молекуле можно привить другие атомы и молекулы. Можно поместить чужеродный атом в центральную полость такой молекулы как в суперпрочный контейнер. Раскрыв внутренние связи (высоким давлением, интенсивным освещением и т.п.), можно соединить две фуллереновые молекулы в димер [2].

Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла (рис.4) [2]:

Получение: кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит. Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита [4].

Применение:

 Транзисторы с базовой толщиной до 10 нм

 Очень чувствительные сенсоры для обнаружения отдельных молекул химических веществ

 Изготовление электродов в ионисторах

 Новый тип светодиодов (LEC)

Графан — двумерный материал, в котором один атом углерода связан с одним атомом водорода и тремя атомами углерода. Химическая формула (≡CH)n. Является гидрогенизированным графеном. Теоретическое существование графана было предсказано в 2003 г. Графан, в отличие от графена, является диэлектриком и химически активным материалом. Нагрев графана приводит к отщеплению атомарного водорода, то есть графан превращается в графен. Графан имеет большой потенциал использования в электронике. Он может использоваться, например, при производстве транзисторов [5].

Эффект лотоса — эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос и других растений, как например настурция и тростник обыкновенный. Вода, попадающая на поверхность листьев, сворачивается в шарикообразные капли. Только с изобретением электронного микроскопа секрет лотоса стал известен. Его раскрыл немецкий биолог Вильгельм Бартлотт в 1975 году. Все дело в микроскопических бугорках, которыми покрыты листья. А бугорки, в свою очередь, покрыты еще более мелкими бугорками. Капля воды, попадая на такую бугристую поверхность, не может равномерно расположиться на ней, т.к. этому мешают силы поверхностного натяжения. Поэтому капли скатываются с поверхности листа, не оставляя следа и смывая грязь, пыль и бактерии [6].

В настоящее время создан материал, имитирующий эффект лотоса (это синтезированные наночастицы оксида алюминия, покрытые модифицированными карбоновыми кислотами). Эти колосовидные структуры, которые делают поверхность шероховатой, удерживают слой воздуха, чтобы уменьшить контакт между каплями воды и поверхностью, заставляя воду соскальзывать.

Супергидрофобные материалы определяются как имеющие угол контакта с водой более 150 градусов, где 0 градусов это лужа, а 180 градусов это сфера воды просто касающаяся поверхности в одной точке. Материал исследовательской группы достигает угла в 155 градусов, попадая в один список к первоклассным покрытиям на основе фторуглерода [7].

Нанокапсула (также коллоидосома) (англ. nanocapsule) — наночастица, состоящая из полимерной, липидной или другой оболочки, окружающей её внутреннюю полость или содержимое (рис.12). Обычно нанокапсула представляет собой сферическую полную частицу, оболочка которой образована полимерами или фосфолипидами (в этом случае она называется липосомой или наносомой), а внутри находится низкомолекулярное вещество. Оболочка нанокапсул может быть изготовлена также из других материалов, например, гидроксиапатита или силиката кальция, а также определенным образом организованных молекул ДНК. Нанокапсулы должны быть химически стабильны, биоактивны, биосовместимы с организмом, защищать капсулированное вещество от нежелательного воздействия, например, растворения в жидкостях. Размеры нанокапсул обычно не выходят за пределы 100 нм, а микрокапсул — 600 мкм. Нанокапсулы обладают высокой проникающей способностью и могут проходить даже в такие «закрытые» зоны организма, как головной мозг.

Нанокапсулы применяют для контролируемого введения инкапсулированных биологически активных веществ: лекарственных препаратов (в том числе нерастворимых в воде или нестабильных), пептидов и белков (имеющих функции гормонов и цитокинов), а также генетических конструкций, несущих гены ферментов, гормонов и цитокинов. Для целевой доставки поверхность нанокапсул может быть модифицирована специфическими антигенами, рецепторами или лигандами. Липосомы являются одними из наиболее удобных нанокапсул. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет её способность при определенных условиях поглощаться клетками и может сливаться с клеточной мембраной, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Перспективными также представляются подходы доставки нанокапсул внутри эритроцитов или бактерий.

Технология включения лекарственных веществ в нанокапсулы позволяет использовать многие лекарственные соединения, доставка которых в органы и ткани была бы сильно затруднена из-за их нестабильности или нерастворимости в воде. В липосомах (наносомах) возможно капсулирование водных растворов лекарственных веществ, а полимерные нанокапсулы обычно используют для жирорастворимых соединений. Эта технология позволяет снизить токсичность и добиться желаемой фармакокинетики для лекарственных препаратов. В настоящее время разрабатываются подходы к транспорту в нанокапсулах наноструктур металлической и полупроводниковой природы, а также суперпарамагнитных наночастиц для селективного разрушения клеток при электромагнитном разогреве, что важно для лечения ряда опухолей [8].

Нанотехнологии сегодня – передовой край науки и техники. Они открывают большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологий, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты назы¬вают повышение производительнос¬ти компьютеров, восстановление человеческих органов c использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике, способных оказать мощное воздействие на развитие цивилизации. Ученые уверены: развитие этой области знаний сможет изменить жизнь человечества больше, чем письменность, паровая машина, электричество или компьютеризация.

1. Методы получения наноматериалов – Курс лекций – Толбанова Л.О., Томск, 2010 - 77 с.

2. Ахметов М.А. Введение в нанотехнологии. Химия. Учебное пособие для учащихся 10–11 классов средних общеобразовательных учреждений. – СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012. – 108 с. (Серия «Наношкола»

3. Сергеев Г.Б. Нанохимия. – М.: Изд-во МГУ, 2003 - 288 с.

4. Деффейс К., Деффейс С. Удивительные наноструктуры / пер. с англ.. — М.: Бином, 2011 – 206 с.

5. Нанотехнологии, Пул Ч., Оуэнс Ф., 2005 – 336 с.

6. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом - М.: Nanotechnology News Network, 2005 – 444 с.

7. Нанотехнологии и специальные материалы, Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Вологжанина С.А., Петкова А.П., 2009 – 336 с.

8. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология: Принципы и применение. — М.: Мир, 2002. — 589 с.