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

 

Титановые наноленты
Титановые наноленты

Начинается XV Олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!"
Совсем скоро начнется юбилейная XV Всероссийская Интернет-олимпиада по нанотехнологиям «Нанотехнологии – прорыв в будущее!». Предлагаем ознакомиться с актуальной информацией и расписанием Олимпиады.

В России стартовал самый масштабный научно-популярный фестиваль
РГ: В МГУ дан старт самому масштабному научно-популярному событию в мире - Всероссийскому фестивалю NAUKA 0+. В программе - свыше 10 000 мероприятий: лекции нобелевских лауреатов, вебинары и мастер-классы, виртуальные лабораторные, научные шоу, интерактивные выставки, телемосты с CERN, Международной космической станцией и российской антарктической станцией "Восток", дискуссии о будущем человечества, показы научных фильмов, соревнования роботов, научные бои Science Slam, квизы и квесты, а также первый Виртуальный гипермузей науки.

Нобелевскую премию по химии присудили за метод редактирования генома
РИА Новости: Нобелевскую премию по химии за 2020 год получили Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, разработавшие технологию редактирования генома.

Нобелевская премия за графен, или 10 лет спустя
Алексей Арсенин
О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — заместитель директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидат физико-математических наук Алексей Арсенин

Летние лектории для школьников
ФНМ
Сотрудники Факультета наук о материалах и химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова участвуют в лекториях двух летних школ, организованных Фондом Инфраструктурных и Образовательных Программ (группа РОСНАНО) - Нанограде и летней школе МФТИ.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

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.

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!



 
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.