Физика поверхности. Кластеры

Фотокатализ с использованием полупроводниковых НЧ играет важную роль в химических реакциях с участием небольших неорганических молекул, а также больших органических и биологических молекул. Фотокаталитическая реакционная способность сильно зависит от природы и свойств фотокатализаторов, включая рН раствора, от размера и характеристик оверхности частиц. Фотокаталитическое окисление органических и биологических молекул представляет большой интерес при применении наночастиц для охраны окружающей среды, в частности, для разрушения вредныхотходов производства. В качестве фотокатализаторов используются различные полупроводники на основе оксидов металлов, такие как ТiO2, ZnO. Примеси, которые 
разлагаются с помощью полупроводниковых фотокатализаторов, включают алканы, галогеналканы, алифатические спирты, карбоксильные кислоты, алкены, ароматические вещества, полимеры, сурфактанты, гербициды, пестициды, а также красители. Удаление или разложение вредных примесей является одним из наиболее важных применений фотокаталитических реакций при переработке и очистке воды.

Уникальные оптические свойства наноматериалов позволяют широко применять их в качестве разнообразных оптических сенсоров и для детектирования химических и биологических образцов. Оптическая люминесценция квантовых точек часто используется как индикатор исследуемого образца. Например, люминесценция ядерно-оболочечной квантовой точки CdSe ZnS, связанной с биологической тканью, предназначена для непосредственной стимуляции протеолитической активности ферментов (энзимов) за счёт резонансной передачи энергии флуоресценции. Модульная структура пептидов была разработана для контроля расстоя ния между донорами и акцепторами флуоресценции. Высокая чувствительность ФЛ позволяет детектировать одиночные молекулы и комплексные системы, например вирусы. Металлические НЧ (в особенности частицы золота) благодаря их плазмонным свойствам применяются в качестве оптических сенсоров и контрастных веществ для обнаружения опухолей (больных клеток) и фототермической терапии в биологии и медицине. Для получения изображений больных тканей в качестве контрастных веществ используются позолоченные УНТ.

Наноматериалы широко применяются в фотонике (стекловолоконной оптике) как лазеры, светодиоды, твердотельные осветители и люминофоры. Во многих из этих применений большую роль играет допирование, особенно в случае люминофоров. Тонкоплёночные лазеры и светодиоды в настоящее время используются как коммерческие продукты. В случае одномерных и нульмерных наноматериалов лазерный эффект получен при оптической накачке; продемонстрирована перспективность таких лазеров для технических применений. Получение генерации при электрической накачке представляет собой проблему, которая частично связана с большой плотностью поверхностных акцепторных состояний одно- и нульмерных наноматериалов по 
сравнению с двумерными.

В случае применения наночастиц в качестве лазеров положительным фактором является то, что, в принципе, можно построить лазеры с перестраиваемой длиной волны генерации за счёт простого изменения размера частиц. При реализации этой идеи существуют две проблемы. Во-первых, спектр большинства НЧ довольно широкий из-за однородного и неоднородного уширения. Во-вторых, высокая плотность акцепторных состояний приводит к быстрой релаксации возбуждённых носителей заряда, что затрудняет достижение инверсии населённостей, необходимой для генерации. Генерация может быть реализована, когда поверхность частицы очень чистая и имеется лишь небольшое число дефектов. Это было продемонстрировано с наночастицами, полученными в чистых условиях методами молекулярно пучковой эпитаксии (МВЕ)  или металлоорганического химического осаждения пара (MOCVD). 
Примеры лазеров на основе квантовых точек: InGaAs, In As , AlInAs и InP. Стимулированное излучение при оптической накачке присутствовало также в квантовых точках GaN . В большинстве случаев лазерный эффект наблюдался при низкой температуре, однако генерация достигнута также при комнатной температуре.

Лазерная генерация в Уф диапазоне при комнатной температуре наблюдалась в системе нанопроволок ZnO . Нанопроволоки ZnO, выращенные на сапфировой подложке, были синтезированы непосредственно в результате конденсации пара и осаждения частиц на подложку. Наночастицы диаметром от 20 до 150 нм и длиной до 10 мкм сами формируют естественный лазерный резонатор. При оптической накачке на длине волны 266 нм с поверхности подложки происходит генерация на длине волны 385 нм с шириной линии излучения около 0,3 нм. Такие миниатюрные лазеры могут найти применение во многих областях, например, для разработки оптических накопителей памяти и интегральных оптических устройств связи.

В светоизлучающих диодах НЧ используются двояко: как усилители излучения света в диодах, изготовленных из других материалов, например, из сопряжённых полимеров, используемых в качестве активных сред, и как активные материалы для генерации света. В последнем случае электрон и дырка инжектируются непосредственно в зону проводимости и валентную зону наночастицы соответственно, и рекомбинация электрона и дырки приводит к излучению света. С целью оптимизации функционирования таких устройств в ряде работ исследовалась инжекция и транспорт носителей заряда в нанокристаллах CdS и CdSe.

Нанотехнология играет важную роль в развитии инновационных методов получения новых материалов и химикатов с улучшенными характеристиками, которые приводят к меньшим затратам энергии и материалов и уменьшению вреда, наносимого окружающей среде. Наноматериалы обладают большим потенциалом для улучшения окружающей среды за счёт как непосредственного применения этих материалов для обнаружения, изоляции и удаления загрязняющих веществ, так и косвенного — благодаря использованию нанотехнологии для разработки чистых промышленных процессов и 
выпуска продуктов, отвечающих экологическим нормам. Например, наночастицы железа способны удалять радионуклидные вещества, содержащиеся в грунте и грунтовой воде, а с помощью наноразмерных сенсоров (датчиков) можно детектировать и отслеживать такие примеси.

Среди многочисленных применений наночастиц и нанотехнологии для охраны окружающей среды наиболее важными являются очистка загрязнённой и заражённой воды и очистка воздуха в жилых и производственных помещениях. Вследствие возрастающего дефицита пресной воды всё чаще рассматривается возможность использования морской воды в качестве питьевой. Поэтому актуальной задачей становится опреснение воды. Однако в настоящее время это весьма дорогой и энергозатратный метод. Применение мембран из УНТ позволит существенно уменьшить расходы на опреснение воды. Аналогично нанофильтры могут быть использованы для восстановления и очистки грунтовых и поверхностных вод, заражённых или загрязнённых химикатами и вредными веществами. С помощью методов фильтрации можно также производить очистку воздуха. Предполагается разработать чувствительные нанодатчики для обнаружения вредных примесей в воде и детектирования утечки токсичных газов при экстремально низких концентрациях.

Вещества, содержащиеся в грунте, отложениях и грунтовой воде, которые вызывают особое беспокойство, — это, прежде всего, тяжёлые металлы (ртуть, свинец, кадмий), а также органические соединения (бензол, хлорированные растворители, креозот, фенол, толуол). Уменьшение количества и влияния вредных примесей — одна из основных целей охраны окружающей среды. В этом отношении нанотехнология может играть ключевую роль.

Для очистки воды и удаления из неё вредных примесей используются наночастицы железа, диоксида титана, биметаллические и магнитные НЧ, а также УНТ, мицеллы, дендримеры и наногубки, мембраны и наносита, катализаторы на основе нанокристаллов и нанопорошков. Наиболее распространёнными токсичными веществами в водопроводной и грунтовой воде являются фенолы. Для исследования окисления фенолов методом гидротермической очистки использовались наночастицы TiO2. Нульвалентное железо можно применять для очистки воды от многих вредных веществ. Оно способно удалять загрязняющие вещества за счёт восстановительного дехлорирования в случае хлорированных растворителей или восстановления до нерастворимых форм в случае металлических ионов в воде.

Эффективными адсорбентами для очистки воды и воздуха от тяжёлых металлов, а также органических загрязняющих веществ являются углеродные нанотрубки. Уникальные адсорбционные свойства УНТ объясняются тем, что, попадая в цилиндрические поры нанотрубок, адсорбирующиеся атомы или молекулы сильно взаимодействуют с окружающими атомами углерода, локализованными на стенках трубок. Это взаимодействие зависит от размера и геометрии пор. Однослойные и многослойные УНТ способны удалять из воды и воздуха тяжёлые металлы, такие как свинец, цинк. Для удаления одного из самых распространённых загрязняющих веществ в питьевой воде — фтора —использовались аморфные частицы Аl2О3, нанесённые на УНТ.

Заключение

Необычные свойства наноразмерных кластерных систем уже в течение многих лет привлекают внимание исследователей, и интерес к этим системам не ослабевает. В последнее время был достигнут значительный прогресс в изучении нанокластеров и нанокластерных систем. Это связано с тем. что современный уровень эксперимента позволяет не только получать отдельные нанокластерные частицы, но и исследовать их свойства. Перечислим основные успехи, достигнутые в области создания новых нанокластерных систем:

— разработаны методы получения монодисперсных нанокластеров. позволяющие получать упорядоченные наноснстемы;

— найдены способы регулирования кластерных размеров межкластерных взаимодействий и напряжений, позволяющие формировать и изменять свойства наносистем;

— предложены способы стабилизации нанокластерных систем путем пассивации изолированных кластеров:

— предложены методы создания упорядоченных слоев и сверхрешеток.

Дальнейший прогресс в этой области будет состоять в синтезе новых наноструктур, в создании и развитии теоретических и экспериментальных подходов к изучению механических, упругих, тепловых, электронных, оптических и магнитных свойств нанокластеров и наносистем. При этом необходимо придерживаться последовательности нанокластер-наносистема-наноустройство.

Полученные на основе молекулярных кластеров, фуллеренов и коллоидных кластеров упорядоченные системы и кластерные нанокристаллы могут быть использованы в нанотехнологии для создания одноэлектронных устройств, оптических выключателей и нелинейных систем, лазерных устройств с перестраиваемой за счет размера кластера длиной волны, квантовых магнетиков.

На основе фуллеренов могут быть получены одномерные проволоки, выпрямители, диоды, электролюминесцентные источники света, холодные катоды и плоские дисплеи.

Появилась возможность за счет варьирования механических свойств получать сверхпластичные материалы.

Создание упорядоченных нанослоев и сверхрешеток открывает путь к получению одноэлектронных устройств, голографическнх изображений, сверхплотной магнитной записи.

Список использованных источников

1. И.П. Суздалев, П.И. Суздалев. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства. Успехи химии, 70,  (2001), с. 203-240. 
2. Макаров Г Н "Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии" УФН 183 673–718 (2013)
3. Наноматериалы и нанотехнологии / В. М. Анищик [и др.] ; под ред. В. Е. Борисенко, Н. К. Толочко. — Минск : Изд. центр БГУ, 2008. — 375 с.
4. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006.