Кричевский Г.Е.

доктор технических наук, профессор,

Вице-президент Нанотехнологического общества России,

gek20003@gmail.com

Эта статья часть (введение) книги автора под одноименным названием, которая выйдет в свет в первой половине этого года. Остальные части книги будут опубликованы в следующих номерах этого журнала.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ: БИОСИНТЕЗ И СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

Посвящается моему непростому замечательному военному и послевоенному детству.

/Герман Кричевский

Я не участвовал в войне, война присутствует во мне.

/Юрий Левитанский

В моем двухтомнике «Основы Нанотехнологии» содержатся главы по наночастицам металлов, их биосинтезе и уникальных свойствах. Но время идет, это направление динамически развивается. Поэтому всё это требует более детального рассмотрения на основе объективного и критического анализа результатов, отражённых в публикациях за последние 10-15 лет. Что и будет сделано в этой книге. В книге в некоторых таблицах и в подрисуночных подписях используются латинские названия микроорганизмов и растений, которые не переводятся на русский язык.

Введение

Данная монография (можно сказать учебное пособие) касается только одного, но важного направления нанотехнологий, поэтому напрашивается необходимость привести во введении кратко общую картину современных основ нанотехнологии. Без этого не обойтись. Для более детального ознакомления следует обратиться к двухтомнику Г.Е. Кричевского «Основы нанотехнологий».

Надо начать с определения нанотехнологии и нанонауки.

Нанотехнологии и наночастицы – новые, прорывные направления и вещества, в которых определения и термины ещё окончательно не устоялись и приходится приводить по нескольку определений.

Определение нанотехнологии по М.К. Роко: «Под термином нанотехнологии понимаем создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, то есть в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований».

И далее «нанотехнологии подразумевают умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой упорядоченностью надмолекулярной организацией».

Такие структуры характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами.

Рисунок 1. Основные новые свойства наночастиц.

Определение нанотехнологий по РОСНАНО (пока еще существует):

«Совокупность приёмов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия, интеграции составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами».

Рисунок 2. Знаменитая кривая академика Ю.Д. Третьякова, первого президента нанотехнологического общества России.

В силу малых наноразмеров элементов наноструктур в этих системах поверхностные свойства играют бо́льшую роль, чем объёмные: чем меньше размер частиц, тем больше общая поверхность структуры при постоянном объёме 𝑆/V = 𝑓(∅), где ∅ - диаметр частицы (условно шарообразный).

Рисунок 3. Масштабы природных и рукотворных существ и веществ, в том числе наноразмерных.

На рис. 4, 5 показана зависимость числа атомов на поверхности структуры от размера частиц.

Рисунок 4. Зависимость числа поверхностных атомов от размера частиц.

Рисунок 5. Зависимость внешней поверхности в км² от размера частиц на примере 50 кг кварцевого песка.

Например, в кубе размером граней 1 м и 1нм размером частиц, его составляющих, общая площадь поверхности составляет 6000 км². Впечатляет! Сколько может сорбировать (вместить) такая структура других частиц, т.е. мы имеем в случае наноматериалов, дело с суперсорбентами.

Для наноструктур с наноразмерами их элементов, сравнимых с длинами волн видимой части спектра, начинают проявляться квантовые эффекты. Это ярко очень демонстрируют наночастицы благородных и тяжёлых металлов, для которых характерна проявление поверхностного плазмонного эффекта (рис.6). В свою очередь этот эффект приводит к окрашиванию нанодисперсии металлов. При этом цвет зависит от вида металла, размера и формы наночастиц.

Рисунок 6. Поверхностный плазмонный резонанс.

Для наноструктур характерна строгая организация в макрообъекте, как это показано на рис. 7.

Рисунок 7.

Нанотехнология является ярко выраженной междисциплинарной технологией, опирающейся на все фундаментальные (физика, математика, химия, биология, материаловедение) науки, и конвергентно (плотно) связанная в научно-технологический кластер с информационными, био-, когнитивными технологиями (НБИК).

На рис.8 показана связь нанотехнологий с различными областями науки.

Рисунок 8. Связь нанотехнологии с различными областями науки и техники.

Влияние размера частиц наноструктур проявляются на их многие физические, электрические, тепловые и другие свойства.

На рис.9 показана конвергентная (плотная, взаимопроникающая) связь нанотехнологий с информационными, био- и когнитивными технологиями.

Рисунок 9.

На рис.10 показаны основные цели нанотехнологий.

Рисунок 10. Использование нанотехнологии в разных областях науки и техники

Рисунок 11. Зависимость температуры плавления золота от размера наночастиц.

Все свойства наноструктур, наночастиц кратко описанные в введении, в полной мере относятся к наночастицам благородных и тяжёлых металлов, которым посвящена основная часть монографии.

Но дополнительно наночастицы металлов имеют свои свойства и особенности, которые будут изложены в основных частях монографии.

Поскольку размер (1-100 нм) наночастиц и нанообъектов определяет ещё одну их особенность – часть атомов этих образований находится на поверхности (~90 %), то большую роль играют силы поверхностного межмолекулярного взаимодействия. Это приводит к существенному повышению механической прочности наноматериалов за счёт аддитивного сложения поверхностного взаимодействия.

1. Свойства и производство наночастиц металлов

Биосинтез наночастиц металлов можно отнести не только к природоподобным (подробнее позже), но и к зеленым технологиям, т.е. к зеленой химии.

Чем отличается классическая химическая технология от зеленой химии? Очень многим! Зеленая химия не нагружает природу своими рисками, в отличии от «классической» химии, которая всегда нагружала, но при этом старалась это делать по возможности меньше. В результате родилось очень важное направление науки, практики - экология.

Экология во всех отраслях индустрии в химической промышленности специальным набором технических средств избавляется от отходов разной природы (очистные сооружения, очистка выхлопных газов и воздуха и др. Экология – это «чистильщик» классических химических и других технологий. Зеленые технологии и зеленая химия разрабатывают и принимают в дело только те технологии, которые превентивно не нагружают природу отходами всех видов, употреблением невозобновляемых источников энергии, не употребляют вредное сырье, органические растворители, не являются взрыво- и пожароопасными, имеют высокий выход реакции. На рис. 12 показано отличие зеленой химии от классической, а на рис. 13 показаны принципы зеленой химии и как в неё вписывается биосинтез наночастиц металлов.

Рисунок 12. Сравнение зеленой и классической химий.

Рисунок 13. Зеленая химия в биосинтезе наночастиц металлов.

Классификация наночастиц и нанобъектов по их размерности в пространстве

В зависимости от размерности наночастицы наноматериалов их классифицируют следующим образом:

− нанообъекты квази нульмерные (0D), когда все три измерения укладываются в шкалу 1-100 нм, то есть в наноразмеры. Это атомы, молекулы, их агрегаты (кластеры), коллоидные частицы, квантовые точки, нанокристаллы, нанопорошки;

− нанообъекты квазиодномерные (1D), то есть с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. Это нановолокна, нанотрубки, наностержни, то есть нанообъекты цилиндрической формы;

− нанообъекты двухмерные (2D), для которых только одно измерение (толщина) нанометровое, два других микроскопические. Это наноплёнки, нанопокрытия;

− к нанообъектам также относятся и объёмные (3D) структурированные материалы (металлы, сплавы, керамика, губки, мембраны).

На рис.14 схематично изображена вышеописанная классификация нано- объектов.

Рисунок 14. Классификация наночастиц и нанообъектов.

СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ И НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

Схематично все способы производства наночастиц делятся на происходящие «сверху-вниз» или «снизу-вверх».

Согласно международной организации стандартизации ISO наночастицы – это нанообъекты, внешние размеры которых укладываются в наношкалу.

Наночастицы – изолированные, твёрдофазные объекты, имеющие отчётливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которых во всех трёх измерениях составляют 1-100 нм, или наночастицы, у которых хотя бы одно измерение находится в диапазоне 1-100 нм.

Наночастицы – это микроскопические объекты, например кристаллы или ультратонкие порошки.

Различные виды наночастиц отличаются по форме, размеру, структуре, что существенно влияет на их свойства.

По форме наночастицы могут быть сферическими, цилиндрическими, коническими, трубчатыми, полыми, спиральными и бесформенными.

Наночастицы принимают ту пространственную форму, которая соответствует максимальным затратам энергии для данной конкретной наночастицы (рис.14).

Рисунок 15. Различные виды рукотворных наночастиц-транспортеров.

Если размер наночастиц ниже одного нанометра, то её называют атомарным кластером. В медицине, в биологии наночастицами считаются и превосходящие 100 нанометров объекты (~ 200-300 нм), поскольку и при таких размерах они отличаются высокой биологической активностью.

Наночастицы могут иметь кристаллическую и аморфную структуру.

Наночастицы могут быть свободными или в форме агломератов.

Наночастицы могут иметь простое строение или состоять из нескольких слоёв (внешней состоит из различных маленьких молекул, ионов металлов, и полимеров). Внутреннее ядро наночастиц содержит основную часть наночастиц.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОЧАСТИЦ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ: ОРГАНИЧЕСКИЕ, НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА, НЕОРГАНИЧЕСКИЕ

Рисунок 16. Различная морфология наночастиц (их форма).

Наночастицы этого типа нетоксичны, биоразлагаемы, часто они имеют внутреннюю пустую полость (липосомы). Наночастицы этого типа чувствительны к действию тепла и света. Они способны образовывать нековалентные межмолекулярные связи. Это делает их лабильными в составе живых организмов, способными к перемещению.

Наночастицы на основе разных форм углерода

Наиболее известны из них фуллерены, сажа, углеродные квантовые точки (рис.17).

Молекулы фуллерена имеют симметричную закрытую клеточную структуру. Фуллерен C60 содержит 60 атомов углерода, образующих форму футбольного мяча. Имеются фуллерены, молекулы которых состоят из большего числа атомов углерода, например С70 и С540.

Сажа (black carbon) – агрегаты виноградоподобной структуры, сферические частицы.

Углеродные квантовые точки состоят из дискретных квазисферических частиц углерода размером ~10 нм.