Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Эмблема Первой интернет-олимпиады - гном на фоне пористого (анодированного) оксида алюминия, исследованного с помощью атомно-силовой микроскопии (тупая игла-щуп вызывает артефакты съемки и низкое разрешение картинки).
Сопоставление "нано" с "микро" и "просто атомами".
Различные объекты на шкале масштабов (в "пятом измерении"), видимимый свет ~400-700 нм.
Факторы, определяющие свойства наноструктурированных материалов.
Иерархия структурных уровней различных материалов.
Протекание процессов самосборки и самоорганизации в системах с различным отклонением от состояния равновесия.
Различие между самосборкой и самоорганизацией.
Понятие темплата.
Нанотубулены.
Нанотубулены оксида ванадия (гидротермальный синтез, различные увеличения и общий основной мотив струкуры).
Примеры наноструктурированных материалов.

«Микро» против «нано»?

Ключевые слова:  наноазбука, наноструктурировние, периодика, самосборка, структурная иерархия

Автор(ы): Е.А.Гудилин (Химфак-ФНМ МГУ), Наноазбука

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

30 сентября 2007

Сегодня стоимость приставки «нано» может составлять буквально многие миллиарды рублей, а вот приставка «микро», верой и правдой служившая многие годы безопасности страны и антитеррору, уже не модна, прямо скажем - не в почете и даже опасна с финансовой точки зрения. Ну, предположим, определим мы границу «нано» с правильной академической точки зрения, дав волюнтаристски одно из десятков возможных определений, и будем посылать все деньги на «нано», презрев «микро». Тоже плохо, поскольку тогда ни подводные лодки с прочными титановыми корпусами с «ультрамелкозернистой» микроструктурой, ни военные самолеты с упрочненными композитными материалами, ни «нанокерамика», которая на самом деле почти что «микро», ни тонкие пленки и гетероструктуры микроэлектроники не имеют шанса свободно и с достоинством войти в элитный клуб наноматериалов – поди докажи, что ты не «микро» (не верблюд)! А «истинные нано» - кто Вы и когда принесете отдачу? Ау, глазастые и вездессущие нанороботы! Однако есть, конечно есть, способ примерить грозных «соперников»!

Важнейшими параметрами наносистем являются размер, размерность, упорядочение и функциональность. Учет всех этих характеристик порождает нано- и микроструктурированные материалы, обладающими наивысшим, как говорят, инновационным потенциалом и действительно способными определить весь дальнейший прогресс в нанотехнологии. Начнем с избитых истин. Нанометр (сокращенно нм)– это одна миллиардная часть метра. Приставка «нано» пришла к нам из древней Греции, в переводе на русский язык она означает «гном» или «карлик» (ηαηοσ). В латыни «нано» имеет значение «маленький», «крошечный». И действительно, один нанометр - это очень маленькая величина, увидеть невооруженным глазом объекты такого размера невозможно. Для сравнения заметим, что волосы человека растут со скоростью 10 нм в секунду (а мы этого не замечаем!), а толщина одного волоска составляет огромную величину - почти 100 тысяч нанометров или 100 микрон. Наноразмерный масштаб используют для характеристики самых маленьких объектов, например, атомов и молекул. Размер атома кремния составляет 0.24 нм, а молекулы «фуллерена» С60 (“футбольного мяча”, состоящего из шестидесяти атомов углерода) – 0.75 нм. К представителям наномира также можно отнести кластеры, способные содержать до нескольких сотен атомов, и различного рода «наноструктуры», размер которых хотя бы в одном из измерений не превышает нескольких десятков нанометров. Мир наноструктур чрезвычайно интересен, ведь они имеют физические свойства, которые отличаются от свойств объемных материалов. Нанометры являются привычными единицами для описания длины волн света. Например, видимый свет имеет длины волн в диапазоне от 400 до 700 нм. В нанометрах измеряют также размеры микроорганизмов, клеток и их частей, биомолекул. Вот лишь некоторые примеры:

  • Диаметр спирали ДНК человека – 2 нм;
  • Длина одного витка ДНК – 3.4 нм;
  • Молекула гемоглобина – 6.4 нм;
  • Пиконановирусы – 20 нм;
  • Молекула гемоцианина – 50 нм;
  • Бактерии Mycoplasma mycoides 100-250 нм;
  • Мимовирусы – 500 нм
  • Эритроциты человека – 8000 нм (уже 8 микрон);

Однако «нано» - лишь короткий, хотя и страшно важный, отрезок «пятого измерения», его принципиальная важность заключается в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуются интереснейшие, практически важные химические и физические взаимодействия. В действительности любые объекты и материалы можно и нужно изучать на разных пространственных масштабах, особенности структуры и свойств материалов на которых (структурная иерархия) лишь в неразрывной совокупности предопределяют его конечные свойства, важные для фундаментальных исследований и, конечно, практики. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень "микро" (характерный размер - микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб. Что касается "нано", IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) установил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм), то мы говорим о наносистеме - это и есть уровень наномасштабов. Логичнее было бы определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов - изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Таким образом, в конечном счете, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и "размерность" (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, "интеграция" свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий - новое качество, как правило, получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано.

Разработка новых методов получения наноматериалов является современным приоритетным направлением развития химии. Актуальность исследований в этой области связана, прежде всего, с тем, что формирование нанообъектов происходит, как правило, в рамках специфических закономерностей, не исследовавшихся ранее в классических разделах химической науки. В частности, одним из основных принципов получения наноструктурированных материалов является самоорганизация в сложных открытых системах с иерархическими взаимодействиями на различных структурных уровнях или реализация управляемой самосборки из существующих в системе элементов – строительных блоков. И в том, и в другом случае управляемый процесс формирования упорядоченных структур может быть реализован, например, за счет использования специально введенных темплатов – «шаблонов», способствующих формированию необходимых взаимодействий (из множества возможных) между элементами системы (не путать с нанороботами – ассемблерами!).

Один из типичных примеров подобных материалов – неуглеродные нанотрубки. Те, кто хоть иногда интересуется новостями науки, не могли пропустить громкие сообщения о синтезе и свойствах «углеродных нанотрубок». Значительно меньше известно о нанотрубках других неорганических соединений. А ведь они не менее интересны и перспективны! Одно только многообразие оксидных соединений, на основе которых образуются нанотрубки, заслуживает восхищения. Первые неуглеродные нанотрубки (MoS2 и WS2) были синтезированы в 1992 г. израильским ученым Р.Тенне. При химическом способе синтеза образование нанотрубок происходит в результате взаимодействия исходных веществ в водных или водно-органических средах, в твердой или газовой фазе, в результате термолиза солей. «Темплатные методы» формирования нанотрубок заключаются в осаждении наночастиц на поверхности твердых веществ, задающих определенную форму и размер нанопродукта, при этом роль темплата могут играть молекулы органических веществ. Например, модель образования нанотрубок TiO2 можно представить схемой 3D→2D→1D. Трехмерный (3D) кристалл диоксида титана, реагируя с раствором щелочи NaOH, образует ламинарную двумерную (2D) структуру, которая изгибается, чтобы соединить ненасыщенные связи краевых атомов. При дальнейшем закручивании получается структура, представляющая собой либо нанотубулен (свиток), напоминающий рулон обоев, либо нанотрубку, образованную вставленными друг в друга концентрическими цилиндрами. Подобным же образом (при участии поверхностно-активных веществ-темплатов) происходит формирование нанотрубок других оксидных соединений, например оксида ванадия V2O5.

А знаете ли вы, что в наномире также встречаются объекты, похожие на предметы нашего макромира - звезды, цветы, гвозди, ракушки, расчески...? Давайте (в шутку, конечно) посмотрим, чем можно было бы снабдить «наночеловечков», если бы они вдруг существовали. Нано-люди могли бы разгуливать по полю из наноцветов диоксида кремния (рис. 1а), выращенных из SiC и С на кремниевой подложке. В случае необходимости что-то построить наночеловечки могли бы воспользоваться наногвоздями из оксида цинка (рис. 1б), которые получаются при осаждении паров оксида цинка в присутствии In2O3 на графитовую или кремниевую подложку. Эти замечательные наноснежинки и нано-звездочки (рис. 1в) – одна из разновидностей диоксида марганца (β-MnO2). Их получают в гидротермальных условиях из раствора Mn(NO3)2. А на рис. 1г показаны самые настоящие наноодуванчики! Полые сферы имеют состав VOOH и “растут” в гидротермальных условиях. А эти наноструктуры в виде расчески (рис. 1д) удалось получить также из оксида цинка, но в смеси с угольным порошком. Нанорасчески “выросли” на подложке из кремния, допированного золотом. Самую маленькую в мире метлу (рис. 1е), щетинки которой в тысячу раз тоньше человеческого волоса, получили, «выращивая» нанотрубки на нитях силицида углерода из горячего газа, насыщенного углеродом. При этом ручки щеток покрывались тончайшим слоем золота, что позволяло избежать появления на них щетинок. Наноструктуру «рыбья кость» (рис. 1ж) синтезировали при нагревании смеси порошков MgO и Со на кремниевой подложке. Наноструктура MnO2 необычной формы “морской наноёж” (рис. 1з), была получена гидротермальным методом из додецилсульфата натрия, а настоящий морской ёж показан на вставке.

И даже фрукты есть в наномире! Наноструктурированная пленка из диоксида марганца, полученная электрохимически, имеет внешний вид карамболы (рис. 1и). Еще один вид наноструктур из диоксида марганца – наноракушки (рис. 1к). Их получали наращиванием коллоидных наночешуек MnO2 на наносферах поливинилхлорида с последующим отжигом полученного композита. Органический темплат испаряется, и остаются неорганические очень тонкие полые наносферы. Исследователи успешно получают все новые и новые наноразмерные объекты. Одни из них являются индивидуальными наночастицами, другие получаются в результате агрегации и имеют необычную причудливую форму.

За последние десятилетия химики синтезировали, а физики и материаловеды изучили несколько сот наноструктур самого различного уровня - одномерные, двумерные, трехмерные, фрактальные и всевозможные их комбинации. Сколько их еще будет? Но сколь бы их ни было – это все иерархические структуры, примеряющие мир «микро» и мир «нано» как неотделимые части единого целого. Это наноструктурированные материалы, которые принесут нам радость бытия и уже очень скоро, если верить локомотивам российской нанотехнологической революции.


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 9.3 (голосов 7)

 


Комментарии
Добрый день, Евгений Александрович!

С интересом читаю nanometer (НМ) и хотел бы высказать несколько пожеланий, в том числе и по поводу Вашей статьи:
1. Поскольку новости в НМ иногда дублируют сведения из nanonewsnet (где они появляются раньше и чаще), то невредно бы это отмечать в
примечании.
2. Кажется пллезным было бы ввести разделы типа "предстоящие конференции" и "вести с конференций".
3. Публикации в НМ и, в частности, Ваша статья имеют "химический окрас", что неудивительно и не вызывает возражений, но на
следует забывать, что нанотехнология и нано-
наука - это не только нанохимия. Поэтому иногда выводы или обсуждение, претендуя на общность, кажутся всё-таки лишь нанохимичес- кими. Например, в Вашей статье не упоминается даже роль поверхностей раздела в формировании
свойств наноматериалов, не говоря уже о многих других факторах. На мой взгляд, несколько однобокое освещение общетеоретичес- ких вопросов (без оговорок) обедняет проблему и не совсем верно ориентирует аудиторию.

Всего наилучшего,
Ваш
Андриевский Ростислав Александрович
Гудилин Евгений Алексеевич, 30 сентября 2007 11:20 
Глубокоуважаемый Андрей Ростиславович!

Отвечу по порядку:
1. К сожалению, попытки "дублирования" и "перепечатки" новостей из Nanonewsnet вызывают у многих наших читателей возражения и едкие замечания по поводу перепечатанных "ляпов", поэтому мы стараемся этого не делать. Дубляж ("собственный перевод") пресс-релизов с зарубежных сайтов - это, действительно, порочная практика, поскольку их переводит не только Наноньюс, но и с десяток других электронных СМИ (с теми же "ляпами", как правило!). В результате создается устойчивое впечатление кругового воровства. Я эту тенденцию на сайте постарался переломить и попросил наших авторов делать дайджесты оригинальных статей, многие из которых сейчас доступны МГУ в виде полнотекстовых версий. Тогда мы сами будем нести ответственность за свои ошибки, а переводчики получат отличную возможность самообразования. Кроме того, это смещение акцентов к подаче действительно интересной научной, а не популистской информации (чем почти всегда грешат пресс-релизы, особенно импортные).
2. Пока есть раздел "Объявления", который вскоре начнет наполняться гораздо лучше. Давайте объявления о предстоящих конференциях! Они появятся в тот же день на сайте, и мы не берем и не будем за это брать никаких денег! Нет НИКАКИХ проблем использовать для информации о конференциях новостной раздел (я там уже много раз делал сообщения и о конференциях, и о семинарах - с фотографиями). Более того, новости сейчас вполне могут выкладываться в форме фоторепортажа с комментариями. Более, чем удобно - пользуйтесь!
3. Насчет "химического" перекоса -согласен. Но кто же ДРУГИМ авторам мешает публиковаться, со своими акцентами??? Нанометр для этого и создавался, на самом деле!

Насчет статьи выше - она слишком проста и популярна (находится в разделе популярных статей, а не аналитических). С удовольствием опубликуем Ваше авторитетное мнение по всем высказанным и невысказанным проблемам. Будем рады получать от Вас министатьи (да и поноценные тоже)!

С уважением, Е.А.Гудилин
Гудилин Евгений Алексеевич, 30 сентября 2007 11:30 
Да, все же статья, надеюсь, доносит мысль, что есть не только "наноуровень", но и другие, без которых "нано" часто не прожить.
Статья понравилась. Многое сейчас находится на стадии познания, но многое и настораживает, так как живой организм эволюционно приспособлен к веществам природного происхождения, а не синтезированным и тем более на ноноуровне. Например, выдержки из фразы «…новое качество обычно получается только при правильно организованной структуре…». И какова правильность организации структур?
Aegis, 08 октября 2007 14:36 
"вездеССущие нанороботы"? десять баллов!
Вы первый, кто заметил "ошибку"
Евгений Алексеевич!
НаССтырные нанороботы - удачная находка!
А вот по поводу диапазона длин волн видимого света - в тексте всё верно (400-750 нм), а на картинке - не каждый охотник фазана заметит, потому что он совсем не там спрятался... (в "пятом измерении")...инфракрасный детектор понадобится... :-))
Ну и далее, продолжая мелочное буквоедство: толщина волоса (уточняю, с головы человека) обычно находится в диапазоне 40-60 мкм (не 100 мкм, попробуйте сами измерить). Иногда может иметь эллиптическое сечение (характерно для вьющихся волос). А скорость роста - из И-нета получаем информацию: 11-15 мм в месяц, делим и получаем - 4,2-5,8 нм/сек (не 10нм/сек).
Насчет фазана -виноваты Надо бы опустить шкалу ниже... Сделано
Уважаемый Евгений Алексеевич!
Спасибо! Дорогого стоит, потому что это вежливость академика по отношению к простому посетителю...
Простите за доТошность,
окончательное видение ОПТИЧЕСКОГО диапазона на наношкале я выслал @. С учётом образовательного значения ресурса, это видение, как мне кажется, "в струю"...
Получили, спасибо. Девушкам - авторам я послал с едкими комментариями (по поводу оригинала). "Буквоеды" нам нужны обязательно!
Паршина Евгения Юрьевна, 07 февраля 2009 22:16 
Пиконановирусы на самом деле пикорнавирусы

Мимовирусы - мимивирусы


Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Странный оксид вольфрама
Странный оксид вольфрама

Команда России стала победителем Международной олимпиады по химии
Команда России завоевала первое место на Международной студенческой олимпиаде по химии в Тегеране

НТ-МДТ на IWMN-2016, Екатеринбург, УрФУ
НТ-МДТ с 27 по 29 августа 2016 года примет участие в работе международного семинара International Workshop “Modern Nanotechnologies 2016”

Интервью руководителя фонда "Талант и успех" Елены Шмелевой на радио Маяк
Интервью руководителя фонда "Талант и успех" Еленой Шмелевой на радио "Маяк" в передаче "Сергей Стиллавин и его друзья".

«Лаборанты» или «творцы»?
Гудилин Е.А.
«Да как эти нанотехнологии можно увидеть?», - спросила нас как – то замечательная женщина, настоящий творец будущего молодых талантов в нашей стране.
«И правда, как их увидеть, а главное, зачем?”, - подумалось мне, наивному, а потом осенило: ведь если не увидеть, то значит, и не показать, а поэтому их как бы и нет.

Форум тьюторов (1 часть)
Асмолова Екатерина
6 и 7 февраля 2016 года в рамках мероприятий X Всероссийской олимпиады школьников «Нанотехнологии – прорыв в будущее!» проходила Открытая Нанотехнологическая Школа-конференция для школьников, студентов и преподавателей. Представляем Вашему вниманию краткий фототчет Форума Тьюторов.

Лекция 10. Переходные металлы
Еремин Вадим Владимирович

Лекция 9. Элементы XV (V A) группы
Еремин Вадим Владимирович

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.