Основы синтеза интеллектуальных нанотехнологий

Содержание:

 

1. Введение…………………………………………………………………..2
2. Материалы на основе фуллеренов и нанотрубок………………………3
3. Биомитетические материалы…………………………………………….9
4. Квантовые точки и программируемая материя………………………16
5. Перспективы использования нанотехнологий в сельском хозяйстве...................................................................................................18
6. Заключение……………………………………………………………...21
7. Использованная литература……………………………………………23 
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Под термином «интеллектуальные» материалы понимают материалы, придающие конечному продукту дополнительные полезные свойства, материалы, способные необходимым для пользователя образом изменять свою структуру в зависимости от свойств окружающей среды. Это могут быть антиадгезионные материалы, материалы, активируемые электромагнитным полем, самоочищающиеся и самоорганизующиеся материалы и т. д. В настоящее время создавать некоторые из «интеллектуальных» материалов и проводить исследования в этой области позволяют «нанотехнологии», и именно о наноматериалах говорят как об «интеллектуальных» материалах.

Нанотехнологии  качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах  привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

При работе с  такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. 

Нанотехнология  — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

 

2. Материалы  на основе фуллеренов и нанотрубок

 

Материалы на основе фуллеренов. Фуллерены – это новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом. В настоящее время понятие "фуллерены" применяется к широкому классу многоатомных молекул углерода Сn, где n - 60 и более, и твердым телам на их основе. Термин «фуллерен» берет свое начало от имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, который применял такие структуры при конструировании куполов зданий. По этой причине молекулу С60 часто называют бакминстерфуллереном (рис.1).

История современных  исследований фуллеренов началась с  работы (1985 г.), в которой молекула С60 была зарегистрирована как кластер  с магическим числом атомов в нем. Второй этап исследования фуллеренов связан с созданием в 1990 г. относительно простой эффективной технологии производства фуллеренов в макроскопических количествах. Эта технология позволяет перерабатывать графит в С60 с производительностью порядка 1 г/ч, что обеспечивает практически все потребности исследований. Производительность синтеза С70 оказывается примерно на порядок ниже, однако и этого достаточно для исследования не только тонких пленок, но и поликристаллов, изготовленных из молекул данного сорта.

рис.1 структура фуллеронов

Наиболее эффективный  способ получения фуллеренов основан  на термическом разложении графита. Используется как электролитический  нагрев графитового электрода, так  и лазерное облучение поверхности  графита. На рис. 3 показана схема установки для получения фуллеренов. Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды переменного тока в атмосфере гелия. Осажденную графитовую сажу выдерживают в течение нескольких часов в кипящем толуоле, при этом получается темно-бурая жидкость. При выпаривании получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи, в нем содержится до 10% фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%). Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга».

Наиболее удобный  и широко распространенный метод  экстракции фуллеренов из продуктов  термического разложения графита, а  также последующей сепарации  и очистки фуллеренов, основан  на использовании растворителей  и сорбентов. На первой стадии фуллерен-содержащая сажа обрабатывается с помощью неполярного растворителя, в качестве которого используются бензол, толуол и другие вещества. При этом фуллерены, обладающие значительной растворимостью в указанных растворителях, отделяются от нерастворимой фракции, содержание которой в фуллерен содержащей фазе составляет обычно 70-80 %. Типичное значение растворимости фуллеренов в растворах, используемых для их синтеза, составляет несколько десятых долей мольного процента. Выпаривание полученного таким образом раствора фуллеренов приводит к образованию черного поликристаллического порошка, представляющего собой смесь фуллеренов различного сорта. Типичный масс спектр подобного продукта показывает, что экстракт фуллеренов на 80 - 90 % состоит из С60 и на 10 -15% из С70. Кроме того, имеется небольшое количество (на уровне долей процента) высших фуллеренов, выделение которых из экстракта представляет довольно сложную техническую задачу. Экстракт фуллеренов, растворенный в одном из растворителей, пропускается через сорбент, в качестве которого может быть использован алюминий, активированный уголь либо оксиды (Al2O3, SiO2) с высокими сорбционными характеристиками. Фуллерены собираются этим металлом, а затем экстрагируются из него с помощью чистого растворителя. Эффективность экстракции определяется сочетанием сорбент-фуллерен-растворитель и обычно при использовании определенного сорбента и растворителя заметно зависит от типа фуллерена. Поэтому растворитель, пропущенный через сорбент с сорбированным в нем фуллереном, экстрагирует из сорбента поочередно фуллерены различного сорта, которые тем самым могут быть легко отделены друг от друга. Дальнейшее развитие описанной технологии получения сепарации и очистки фуллеренов, основанной на электродуговом синтезе фуллерено-содержащей сажи и её последующем разделении с помощью сорбентов и растворителей, привело к созданию установок, позволяющих синтезировать С60 в количестве одного грамма в час.

Металл-фуллереновые плёнки обычно получают методом термического распыления в вакууме. Поскольку фуллерены начинают сублимировать при температурах ниже 700 К, а температура испарения металлов значительно выше, то для получения плёнок используют два испарителя. Концентрация фуллеренов в плёнках определяется скоростями поступления компонентов (атомов и молекул), которые регулируются температурой испарителей и их расположения относительно подложки. Температуры испарителей выбираются по экспериментальным зависимостям скорости испарения от температуры.

Для получения  толстых металлических плёнок с небольшим (менее 1 %) содержанием фуллеренов может использоваться метод электрохимического осаждения, при котором порошок фуллерита или раствор фуллеренов смешивается с электролитом. Для повышения однородности электролита используется ультразвуковой вибратор. Технологическими параметрами являются состав электролита, плотность и режим тока, мощность, длительность импульсов и частота сопутствующего лазерного излучения.

Полимер-фуллереновые материалы получают следующими способами:

• совместное распыление и осаждение компонентов;
• смешиванием порошка фуллерита с расплавом полимера и последующим охлаждением полученной смеси;
• смешиванием раствора фуллеренов с раствором полимеров и последующей сушкой.

В зависимости  от температуры, типа растворителя, соотношения количеств полимера, фуллерена, растворителя, степени перемешивания могут образовываться материалы разного типа. От режима сушки зависят пористость, внутренние механические напряжения, адгезия, размер фуллереновых ассоциатов и места их закрепления в полимерных цепочках.

Фуллерены планируют  использовать в качестве основы для  производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых  основан на реакции присоединения  водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако, обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в пять раз больше удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

Растворы фуллеренов в неполярных растворителях (сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан) характеризуются нелинейными оптическими свойствами, что проявляется, в частности, в резком снижении прозрачности раствора при определенных условиях. Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы оптических затворов- ограничителей интенсивности лазерного излучения. Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала.

Большое внимание уделяется проблеме использования  фуллеренов в медицине и фармакологии. Обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водо-растворимых эндоэдральных соединений фуллеренов с радиоактивными изотопами. Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фуллеренов. Одна из трудностей при решении этих проблем – создания водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию.

Материалы на основе углеродных нанотрубок. Форма, состав и геометрия углеродных нанотрубок образуют уникальную электронную структуру(рис.2). Частично это результат размера, потому что квантовая физика работает в масштабах миллимикрона. Но и сам графит - очень необычный материал. Принимая во внимание, что большинство электрических проводников может быть классифицировано или как металлы или как полупроводники, графит - один из редких материалов, известных как полуметалл. Комбинируя полуметаллические свойства графита с квантовыми правилами уровней энергии и электронных волн, углеродные нанотрубки показывают себя как действительно необыкновенные проводники. Например, одно из правил квантового мира гласит, что электроны ведут себя как волны и как частицы, а электронные волны могут преумножать или аннулировать друг друга при взаимодествии. Как следствие, электрон, распространяющийся вокруг окружности нанотрубки может полностью утратить свою энергию; таким образом, остаются только электроны с правильной длиной волны. Из всех возможных электронных длин волны, или квантовых состояний, в плоском листе графита остается доступным только очень маленькое подмножество, в котором мы можем скатать лист графита в нанотрубку. Это подмножество находится в зависимости от длины окружности нанотрубки,  а также от степени завихрения нанотрубки.

 

рис.2

 

Разделение  нескольких электронных состояний из простого металла или полупроводника не произведет много неожиданностей, но полуметаллы более чувствительные материалы, что делает углеродные нанотрубки более интересным. В листе графита, одно электронное состояние (физики называют его точка Ферми) дает графиту почти всю его проводимость; ни один из электронов в других состояниях не способен переместиться. Только одна треть всех углеродных нанотрубок соединяется правильным диаметром и с нужной степенью закручивания, необходимой для достижения точки Ферми в подмножестве разрешенных состояний. Такие нанотрубки – настоящие металлические нанопроводники.

Оставшиеся  две трети нанотрубок - полупроводники. Это означает, что, как и кремний, они не переносят ток без дополнительного увеличения энергии. Падение света или увеличение напряжения может выбить электроны из  валентных состояний в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться. Количество необходимой энергии зависит от  разности энергетических состояний между этими двумя уровнями и, так называемой ширины запрещенной зоны  полупроводника. Эти запрещенные зоны в полупроводниках, делают их очень полезными в электронных схемах, и при наличии библиотеки материалов с указанными запрещенными зонами различной ширины, инженеры имеют возможность производить множество электронных устройств, существующих сегодня.

Углеродные  нанотрубки не все имеют запрещенную  зону, потому что для каждой окружности есть уникальный набор доступных  валентных и проводящих состояний. Нанотрубки с наименьшим диаметром  имеют немного таких состояний, энергия которых сильно отличается друг от друга. При увеличение диаметра нанотрубки, оказываются доступными все больше и больше состояний, а интервал между ними сжимается. Таким образом, ширину запрещенной зоны можно уменьшить, или вовсе избавиться от нее (как в металле), а можно наоборот, сделать ее столь же широкой, как у кремния, или создать что-то среднее. Никакой другой известный материал не может быть изменен так легко. К сожалению, при выращивании нанотрубок в настоящее время получаются различные беспорядочные структуры, и исследователи ищут пути усовершенствования технологии для того, чтобы можно было гарантировано получать определенные типы нанотрубок.

Толстые многослойные нанотрубки могут иметь несколько  разных комплексных состояний, потому что каждый слой в трубе имеет немного отличную от соседнего геометрию. Если мы могли бы создавать индивидуально состав каждого слоя, мы смогли бы создать многослойные трубки, которые изолируют сами себя, или способны нести одновременно множество различных сигналов, как наноскопические коаксиальные кабели. Наше понимание и возможности контроля роста нанотрубок все еще далеки от необходимых, но внедряя нанотехнологии в рабочие процессы, мы по крайней мере начали открывать для себя их основные свойства.

 

3. Биомитетические  материалы

 

Наноматериалы, биомиметические иначе биомиметики—искусственные наноматериалы, имитирующие свойства биоматериалов или созданные на основе принципов, реализованных в живой природе.

Нанотехнологии  включают в себя манипулирование и построение структур размерами порядка нескольких нанометров. Однако некоторые живые организмы делают это уже давно. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков для того, чтобы построить клеточные органеллы нанометровых размеров. Поэтому для нанотехнологов логично было бы воспользоваться природными примерами для построения «интеллектуальных» наноматериалов, в природе не существующих, то есть биомитетических материалов (имитирующих природные).