Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Материалы из "кластеров": новые возможности, задачи и вызовы.

Ключевые слова:  квантовые точки, мнение, наноматериал, нанотехнологии, наночастица, новый материал, периодика

Автор(ы): Баранов Дмитрий Александрович

Опубликовал(а):  Баранов Дмитрий Александрович

06 февраля 2009

Хорошо известно, что весь спектр научных дисциплин, начинающихся с префикса "нано", представляет собой междисциплинарный (или интердисциплинарный, или мультидисциплинарный, или международнодисциплинарный...) ландшафт. Исторически и из представлений удобства наночастицы очень часто (особенно химиками) помещаются между кластерами и макроскопическими телами. Интуитивно удобно использовать логическую цепочку: атомы => кластеры => наночастицы => макроматериал (или объемный, bulk материал). Составляющие этой цепочки призваны различить объекты с резко отличающимися свойствами в рамках отдельно взятого вещества (сложного или простого) с ростом числа простейших элементов (атомов), входящих в состав этого объекта. Конечно, тут существует и путаница с определениями, и с тем, что специалисты из разных областей выучились и привыкли называть одинаковые объекты по-разному, но не об этом речь.

Через химические реакции можно "связать" атомы в пучок и назвать получившееся кластером. Экспериментально показано, что кластеры, в свою очередь, являются интермедиатами в процессе формирования наночастиц, будь то синтез в газовой фазе, MOCVD, или синтез в органическом растворителе [1-3]. В широко цитируемой работе Аливисатоса из Science за 1996 год [4] упорядоченно, простым языком изложена концепция, почему наночастицы так отличаются от компактных материалов и какие последствия это за собой влечет. У шарика из тысячи атомов есть свои энергетические уровни и считаться с ними стоит, исходя из квантовой механики. Не говоря уже о том, что зависят эти уровни от всего, чего угодно (химия поверхности, форма частицы, дефекты структуры внутри и снаружи и т.д.). За три года до того, в 1993-ем, Мюррэй, Норрис и Боуэнди блестяще проиллюстрировали размерные эффекты экспериментально на примере селенида кадмия [5]. Следующей итерацией стала концепция "nanoparticles as artificial atoms" [6]. Если наночастицы такие монодисперсные (напомню, что монодисперсности можно добиться с точностью плюс-минус постоянная решетки [5]), то их, в свою очередь, можно использовать как "атомы", т.е. упорядочивать в аналогичные атомным решетки, т.е. строить макрообъекты по совершенно новому принципу и контролируемо [7]. Конечно это вызывает восторг и взрывает воображение. Потому как загадочным становится: а какими будут свойства? а как контролировать "сборку"? и т.д. Благо, государства (и не только) оплачивают удовлетворение любопытства. Но здесь стоит обратить внимание на ту проблему, что ученый, занимающийся подобным, сталкивается с тем, что от него требуется знание разных областей химии, физико-химических методов анализа, а также прикладной и теоретической физики. Плюс неплохо было бы понимать и осуществлять квантовые расчеты. Экспоненциально растет не только численность населения, но и требования к профессионалам.

Задуматься о вышеперечисленном меня подтолкнул свежеопубликованный обзор в журнале ACS Nano, под названием "Cluster-Assembled Materials" [8]. В обзоре рассматривается идея построения новых материалов из структурных элементов разных размеров (фуллеренов, неорганических кластеров, e.g. Al13, As11 etc.) и коллоидных наночастиц. Различие размеров составляющих частей приводит к различным масштабам периодичности и, как следствие, различным взаимодействиям и эффектам, действующих по своему в каждом конкретном случае. Фуллерены, стабильные и доступные кирпичики, склеенные макромолекулой, могут эффективно транспортировать электрический заряд и использоваться в солнечных батареях. Нейтральный кластер Al13, имеет 39 "валентных" электронов и обладает высоким сродством к электрону (3.57 эВ), в чем подобен элементу хлору, а после присоединения электрона становится химически стабильным и подобен в этом инертным газам. Что в свою очередь уже породило "superatom concept" [9]. Монодисперсные наночастицы одного материала могут самоорганизовываться в "кристаллы" микроразмеров, а бинарные смеси наночастиц разных размеров позволяют получать такие "кристаллы" с самым разнообразным типом расположения наночастиц в них ("кристаллической решетки"). В зависимости от количественного соотношения двух типов частиц (стехиометрия) и различия в размерах, можно, например, из смеси 8.1 нм CdTe и 4.4 нм СdSe получить "кристаллы" c решеткой типа CaCu5, ico-NaZn13, cub-NaZn13 и т.д. (очень рекомендую [10]). Помимо существенных различий в фундаментальных механизмах формирования и получения такого многообразия материалов, перспектива контроля свойств материала с момента его "рождения" воспламеняет энтузиазм ученых и стимулирует к новым свершениям. Основной идеей этого обзора является не конкретная экспериментальная процедура, а приглашение взглянуть на новую философию построения материалов, которая, в буквальном смысле, придает периодической системе третье измерение.

Опасность таких широких и красивых перспектив состоит в легкости спекуляций на них, а также безответственного подхода и наплыва неспециалистов, просто желающих поморочить головы (себе и другим). Эффективность исследований и действительного прогресса в этом направлении, позволящая разработать преобразователи ли энергии, накопители ли информации или какие-то принципиально новые устройства, зависит, в первую очередь, от глубины знания и понимания нескольких естественнонаучных дисциплин, а также способности применять эти знания на практике. Не слишком сильным преувеличением будет предположить, что текущий прогресс в области создания новых материалов это: а) основа для создания подходов к организации обучения (образовательного процесса) таким междисциплинарным наукам как нанотехнология, и б) серьезный толчок к пересмотру существующей системы подготовки специалистов в ВУЗе и особенно в аспирантуре.

Список литературы:

  1. S. Kudera et al, Adv. Mater., 2007, 19, 548, 10.1002/adma.200601015;
  2. Z. A. Peng, X. G. Peng, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3343, 10.1021/ja0173167;
  3. T. Vossmeyer et al, Science, 267, 1476, 2003, 10.1126/science.267.5203.1476;
  4. A.P. Alivisatos, Science, 271, 933, 1996, 10.1126/science.271.5251.933;
  5. C.B. Murray et al, JACS, 115, 8706, 1993, 10.1021/ja00072a025;
  6. R.C. Ashoori, Nature, 379, 413, 1996, 10.1038/379413a0
  7. C.B. Murray et al, Science, 270, 1335, 1995, 10.1126/science.270.5240.1335;
  8. S.A. Claridge, A.W. Castleman Jr, S.N. Khanna, C.B. Murray, A. Sen, P.S. Weiss, “Cluster-Assembled Materials”, ACS Nano, ASAP, опубликовано в интернете 05 Февраля 2009, 10.1021/nn800820e, скачать бесплатно;
  9. R.E. Leuchtner et al, J. Chem. Phys., 91, 2753, 1989, 10.1063/1.456988;
  10. E.V. Shevchenko et al, Nature, 439, 55, 2006, 10.1038/nature04414;

Для иллюстраций см. также "Философию наносинтеза"...



Средний балл: 10.0 (голосов 6)

 


Комментарии
Владимир Владимирович, 07 февраля 2009 05:09 
Очень свежие своевременные мысли!
И выводы наисерьезные и прагматичные, прямо-таки масштабно-государственные!
Все-таки поаккуратнее надо с несанкционированным размещением защищенных материалов...
Владимир Константинович, каждый раз совершая подобное, держу в голове вами
замеченное. Пока такие шалости проходят, но чувствую, что ненадолго это.
Акбашев А., 08 февраля 2009 22:24 
Простите, но не понимаю, что особенно интересного написано автором с научной точки зрения тут?
Трусов Л. А., 09 февраля 2009 04:34 
да уж, картинок нету
Владимир Владимирович, 09 февраля 2009 04:38 
Зато есть мысли и ссылки
Акбашев А. (извините, не знаю как по имени), ваше замечание, в общем,
справедливо. Я лишь хотел обратить внимание на то, что между совсем,
казалось бы, разными материалами так много общего (свежий обзор меня на это
и подтолкнул), а в последнем абзаце попытался сформулировать свое мнение о
вещах которые лично меня глубоко волнуют, и о которых я не так часто слышу.
В целом идея сборки из кластеров фиксированного (sic!) размера, наверно, лежит на поверхности, но для меня она нова. Спасибо за обзор!
СА,
спасибо =).
"Основной идеей этого обзора является не конкретная экспериментальная процедура, а приглашение взглянуть на новую философию построения материалов, которая, в буквальном смысле, придает периодической системе третье измерение".!!!

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

 

Звезда по имени Солнце
Звезда по имени Солнце

VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (http://dfmn.imetran.ru/) пройдет в Москве (ИМЕТ РАН) с 19 по 22 ноября 2019 г. В рамках Конференции пройдет Молодежная школа-конференция.

Более 770 площадок пожелали присоединиться к Всероссийскому химическому диктанту с международным участием 18 мая
Более 770 площадок подали заявки на участие во II Всероссийском химическом диктанте, который в этом году пройдет с международным участием 18 мая в 13:00. Мероприятие организовано Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова, Химическим факультетом МГУ и корпорацией «Российский учебник» при поддержке Ассоциации учителей и преподавателей химии.

Найдены превращающие свет в электричество камни
Ученые обнаружили возникновение электрического тока в неорганических системах, что напоминает первые этапы усваивания энергии Солнца бактериями и растениями в процессе фотосинтеза. Открытое явление протекает в различных минералах и почвах. В отличие от обычного фотосинтеза, в данном случае участвуют только неорганические соединения, которые не имеют отношения к деятельности живых форм.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

«Наука открывает огромные просторы для творчества»
Яна Хлюстова, Екатерина Мищенко
Об олимпиадах школьников и начале научного пути в интервью Indicator.Ru рассказала Екатерина Жигилева, студентка второго курса химического факультета МГУ им. Ломоносова.

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
Семенова Анна Александровна
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
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.