Нанотехнологии. Классификация наноматериалов. Отдельные представители наночастиц

1. Нанотехнологии лекция 3

Классификация наноматериалов.
Отдельные представители наночастиц
Мансурова Ирина Алексеевна
к.т.н., доцент кафедры ХТПП,
1-521 а, служ. 742-715
[email protected]

2.

Тест
1. Выберите правильные утверждения, описывающие ограничения в
использовании оптической микроскопии для визуализации
нанообъектов.
1. В оптической микроскопии используется видимый свет с длиной волны не
менее 400 нм. Световые лучи такой длины волны «огибают» наночастицы не
отражаясь от их поверхности.
2. Возможности оптических микроскопов ограничены правилом: размер
объекта не может быть меньше, чем длина волны света, используемого для
освещения объекта.
3. В оптической микроскопии используются видимый свет с длиной волны
менее 400 нм. Световые лучи с такой длиной волны поглощаются
поверхностью наночастиц.
2. Что обеспечивает инструментарий в нанотехнологиях?
1.
2.
3.
4.
Визуализацию нанообъектов на нанометровом уровне.
Визуализацию нанообъектов на микронном уровне.
Измерение физико-механических свойств отдельных нанообъектов.
Манипулирование отдельными атомами, нанообъектами.

3.

3.
Какой из микроскопов был изобретён первым?
1.
2.
3.
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ);
Просвечивающий микроскоп (ПЭМ);
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ).
4.
Режим регистрации вторичных электронов используется в ….
1.
2.
3.
сканирующем зондовом микроскопе;
просвечивающем электронном микроскопе;
сканирующем электронном микроскопе.
5.
Проведите соответствие между определением прибора и видом
микроскопа
Прибор, предназначенный для получения увеличенного
изображения объекта за счет движения сфокусированного
1 пучка электронов по объекту с последующей регистрацией
сигнала, возникающего в результате взаимодействия
электронов с веществом
Устройство для получения изображения ультратонкого
2
образца путём пропускания через него пучка электронов
Прибор, предназначенный для исследования поверхности
3 образца за счет взаимодействия кантилевера с поверхностью
образца.
Прибор для получения увеличенных изображений объектов
4 (или деталей их структуры), невидимых невооружённым
глазом.
А
Просвечивающий
электронный
микроскоп
Б
Сканирующий
зондовый микроскоп
В
Сканирующий
электронный
микроскоп
Г
Оптический
микроскоп

4.

Введение (1 модуль)
Лекции:
Основные понятия и определения в области
нанотехнологий. Стандартизация нанообъектов
и наноматериалов.
История нанотехнологий.
Практические занятия:
Размерная шкала природных и синтетических объектов и материалов.
Фрактальные объекты.
Инструментарий нанотехнологий. Оптическая и электронная
микроскопия (ПЭМ, СЭМ, СЗМ). Экскурсия
Композиционные материалы. Структура и свойства
(общее представление).

5.

Отдельные представители наноматериалов (2 модуль)
Лекции:
Классификация наноматериалов.
Отдельные представители наночастиц.
Отдельные представители наноструктурированных материалов.
Практические занятия:
Особенности С-С связей, аллотропия углерода.
Углеродные наноматериалы. Классификация. Фуллерены и их
производные, полифуллерены.
Углеродные нанотрубки и нановолокна. Функционализация УНТ.
Графен, наноалмазы, онионы. Строение и свойства.
Наноструктуры в биологических материалах. Особенности строения
и свойств межфазной границы.

6.

Классификация наноматериалов по структурному признаку

7.

8.

Манипулятор Фейнмана,
художественная интерпретация
Силы
гравитации
Силы
межатомного,
межмолекулярного
взаимодействия

9.

Типы физического взаимодействия
Это взаимодействие между молекулами и/или атомами, не приводящее к
образованию ковалентных (химических) связей.
диполь-дипольное (силы Ван-дер-Ваальса)
водородные связи
ион-дипольное
гидрофобное
ион-ионное
Диполь-дипольное - взаимодействие молекул, каждая из которых обладает
дипольным моментом.

10.

11.

Силы
Ван дер-Ваальса
Энергия
взаимодействия,
кДж/моль
ориентационное
~ 20
индукционное
~ 0,2
дисперсионное
~ 0,01
Механизм
взаимодействия

12.

13.

Ион - дипольное
Ионное
Гидрофобное
Водородные связи

14.

Виды наночастиц
1. Нанокластеры (cluster - скопления, грозди) – «комплексы»/«ассоциаты»
близко расположенных, связанных друг с другом атомов, молекул, ионов
или наночастиц.
2. Нанокластеры – ограниченные по размеру и взаимодействующие
друг с другом множество атомов, ионов или молекул.

15.

По характеру расположения:
упорядоченные (правильная геометрическая форма)
неупорядоченные кластеры.
По природе связи:
Классификация
Кластеры, состоящие из атомов инертных газов
Примеры
(He)n (Xe)n (Ar)n
Ван-дер-Ваальсовые кластеры
(SF6)n (CO2)n
Кластеры с водородными связями
(H2O)n (NH3)n
Металлические кластеры
Ионные кластеры
Ковалентные кластеры
(Na)n (K)n
(KCl)n (NaCl)n
(С)n (Au)n

16.

17.

Конфигурации нанокластеров из N плотно упакованных атомов:
а – тетраэдр; б – тригональная бипирамида как сочетание двух тетраэдров;
в – квадратная пирамида; г – трипирамида, образованная тремя тетраэдрами

18.

19.

Кластеры, состоящие из атомов инертных газов
Выравнивание поверхностей: создание идеально ровных
поверхностей зеркал.
Очистка поверхностей: поверхностные примеси
удаляются при ее бомбардировке кластерными ионами
Кластер из 16 атомов аргона,
связанных дисперсионным
взаимодействием
Ван-дер-Ваальсовые кластеры
Молекулярный кластер СО2

20.

Кластеры с водородными связями
https://www.youtube.com/watch?v=oW3BlPpRaBc
Кластер в воде. Принцип построения

21.

Металлические кластеры (ковалентный или металлический тип связи)
Эффективные катализаторы

22.

Нанокристаллы - отдельный однородный кристалл, имеющий
непрерывную кристаллическую решётку.
Внешняя форма монокристалла обусловлена строением кристаллической
решётки и условиями кристаллизации.
Алмаз

23.

СЭМ изображения додекаэдрических нанокристаллов золота
Масштабы шкал: 100 нм (а), 50 нм (б–д).

24.

Нанокристаллы для крепкого протезирования

25.

Фуллерен
Фуллерен С60 – кластер из атомов углерода,
соединенных ковалентными (химическими)
связями

26.

Фуллерены - замкнутые каркасные структуры на основе углерода, 5 и 6-ти
угольники регулярным образом покрывают поверхность сферы или сфероида.
С180
С240
С540
Семейство фуллеренов
(обнаружены экспериментально в 1985 г)
С960

27.

Масс-спектр паров графита, полученных при лазерном облучении
твёрдого образца, 1985 г,
группа исследователей: Роберт Кёрл, Харольд Крото, Ричард Смолли

28.

29.

Икосаэдр,
правильный
многогранник,
20 граней,
каждая грань –
равносторонний
треугольник
Отсечение
вершин
икосаэдра
Усеченный
икосаэдр , 12
правильных
5-ти угольников и
20 правильных
6-ти угольников;
каждый 5-ти
угольник окружен
6-ти угольниками

30.

Рисунок
Леонардо да Винчи
E. Osawa. Kagaku (Kyoto)
25 (1970) 854 [in Japanese]
Д.А. Бочвар, Е.Г. Гальперн,
ДАН СССР, 209, 610 (1973)
Нобелевские лауреаты Роберт Кёрл, Гарольд Крото и Ричард Смолли отметили вклад в
исследовании С60 Осавы, Гальперн, Станкевича, каждый из них внес свою часть в
открытие.

31.

Richard Buckminster Fuller (1885 - 1983) — американский архитектор,
дизайнер, инженер, изобретатель, математик, поэт, один из самых
оригинальных мыслителей XX века.
http://somuchpost.ru/archive/kak-vyispatsya-za-chasarejim-salvadora-dali/-28556858_193748.html
https://www.youtube.com/watch?v=coDRpstO2WE

32.

33.

34.

Цель жизни – разработка стратегии оптимального использования мировых
ресурсов энергии.
Dymaxion House, 1928. Wichita, Texas
Dymaxion Car, 1928-1933
Изобрел слово Dymaxion, скрестив "dynamic" and "maximum"

35.

36.

Проект «Эдем» - ботанический сад в графстве Корнуолл (Великобритания),
включающий оранжерею, состоящую из нескольких геодезических куполов,
под которыми собраны растения со всего мира