Наночастиц
Нанотехнология – это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путём манипулирования атомами и молекулами. Направления разработок в нанотехнологиях черезвычайно разнообразны – от получения новых материалов для авиации, космоса, военных нужд до имплантантов и нейротехнологических разработок для медицины. Чтобы материалы обладали хорошим качеством, они должны быть хорошо сконструированы на уровне атомов и молекул. Одним из основных способов получения наноструктур является самосборка. Механизмы наносборки копируются у природы, а также заимствуются из разработок супрамолекулярной химии.
Основными объектами рассмотрения данного раздела являются металлические поверхности или наноструктурированные неорганические поверхности, модифицированные органическими молекулами. Создание гибридных материалов имеет несколько целей:
· Создание протяженных поверхностей, обладающих определенными характеристиками и функциями.
· Усиление характеристических свойств до необходимого уровня.
· Переход от супрамолекулярной химии к наноматериалам.
Наночастицы по размеру превосходят размер молекул, но гораздо меньше микросхем. Особенностью наночастиц является их большая поверхность. К примеру, 10-15 атомов золота или серебра в наночастице укладываются таким образом, что представляют собой достаточно большую поверхность.
Для получения наноструктурированных поверхностей используют самые различные методы, выбор которых определяется характеристикой металла и необходимым размером и структурой частиц. Очень часто для исследований в качестве неорганической компоненты используются частицы золота определённого размера, которые устойчивы к окислению, легко обрабатывается с использованием технических приемов литографии и других доступных технологий, можно получить из коммерческих источников.
Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. Углеродные каркасные структуры - это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главной особенностью этих молекул является их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри "оболочки". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - фуллерен C60, неожиданное открытие которого в 1985 г. вызвало целый бум исследований в этой области. В 1991 г. опять-таки совершенно неожиданно были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок, которые демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение несколько вольт, учёные научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков!
Для модификации описанных выше неорганических поверхностей и частиц используют несколько методов. Для нанесения органического слоя на поверхность неорганической наночастицы существует несколько способов. Можно адсорбировать органические соединения на поверхности металла. Можно осуществить химическую пришивку органической молекулы к поверхности неорганической частицы, причём в качестве активных групп, взаимодействующих с неорганической поверхностью частицы, используют тиольные, карбоксильные группы. Можно осуществить полимеризацию подходящих органических мономеров на поверхности неорганической частицы, при этом образующийся полимер как сеткой покрывает поверхность неорганической частицы.
Модификация поверхности неорганической частицы органическими молекулам имеет два важных последствия. Во-первых, такая модификация препятствует слипанию частиц и стабилизирует частицы определённого наноразмера. Во-вторых, наличие органических молекул в составе наноразмерных частиц придаёт им различные функциональные свойства.
На рис.7 показан пример получения модифицированной наночастицы золота. Процесс восстановления золотохлористоводородной кислоты проводят в присутствии алкантиола, который взаимодействует с образующейся в ходе реакции наночастицей золота, модифицируя её и одновременно стаблизирует её размер, предотвращая слипание мелких частиц в крупные. После завершения формирования частиц золота, стабилизированных алкантиолами, возможно ввести в состав гибридной наночастицы алкантиолы, имеющие дополнительные функциональные группы. Наличие функциональных групп обеспечит определённые свойств наночастице.
Рис. 7. Процесс образования модифицированных наночастиц золота
Первоначально полученную гибридную частицу можно подвергнуть дальнейшей модификации (рис. 8). Дополнительную молекулу можно пришить с использованием химической реакции (рис. 8а) или за счёт нековалентной координации (рис. 8б).
Рис. 8. Химическая (а) и координационная (б) модификация наночастиц
Важно, чтобы органические молекулы на поверхности металла имели упорядоченную структуру, которой способствуют гидрофобные взаимодействия длинных алкильных цепей или водородные связи, которые могут образовываться между функциональными группами соседних органических молекул. Отсутствие правильной организации органических молекул ведёт к нерегулярному покрытию поверхности.
Исследования и разработка нанотехнологий стали возможными после развития специальных методов изучения поверхностей. К таким методам относятся, сканирующая туннельная микроскопия, электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, флуоресцентная микроскопия.