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

 

Философская шерсть
Философская шерсть

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
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.