Нанохимия – это наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации.
Одна из приоритетных задач нанохимии – установление связи между размером наночастицы и ее свойствами.
Объектами исследования нанохимии являются тела с такой массой, что их эквивалентный размер (диаметр сферы, объем которой равен объему тела) остается в пределах наноинтервала (0,1 – 100 нм)
Вследствие расположенности наномира на границах классической физики и квантовой механики его объекты уже нельзя рассматривать как абсолютно одинаковые и статистически неразличимые. Все они индивидуальны, и одна наночастица отличается от другой наночастицы составом, строением и множеством других параметров
Нанохимия находится в стадии быстрого развития, поэтому при её
изучении постоянно возникают вопросы, связанные с понятиями и терминами.
Четкие различия между терминами “кластер”, “наночастица” и “квантовая
точка” пока не сформулированы. Термин “кластер” чаще используют для
частиц содержащих небольшое число атомов, термин “наночастицы” – для
более крупных агрегатов атомов и распространен для описания свойств
металлов и углерода. Под понятием “квантовая точка” обычно
подразумеваются частицы полупроводников и островков, где квантовые
ограничения носителей зарядов или экситонов влияют на их свойства.
Теоретическая нанохимия разрабатывает методы расчета поведения нанотел, учитывая такие параметры состояния частиц, как пространственные координаты и скорости, масса, характеристики состава, формы и структуры каждой наночастицы.
|
|
Экспериментальная нанохимия развивается в трех направлениях.
1. В рамках первого разрабатываются и используются сверхчувствительные спектральные методы, дающие возможность судить о структуре молекул, включающих десятки и сотни атомов.
2. Второе направление исследует явления при локальных (местных) электрических, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. При этом преследуется цель изучить взаимодействие отдельных молекул газа с нанотелами и нанотел друг с другом, выявить возможность внутримолекулярных перегруппировок без разрушения молекул и с их распадом. Данное направление также интересует возможность «атомной сборки» нанотела нужного габитуса (внешнего вида) при перемещении атомов по поверхности подложки (основного материала, поверхность которого подвергается различным видам обработки, в результате чего образуются слои с новыми свойствами или наращивается плёнка другого материала).
3. В рамках третьего направления определяются макрокинетические характеристики коллективов нанотел и функций их распределения по параметрам состояния.
Прикладная нанохимия включает в себя:
§ разработку теоретических основ применения наносистем в технике и нанотехнологии, методов предсказания развития конкретных наносистем в условиях их использования, а также поиск оптимальных способов эксплуатации (техническая нанохимия);
§ создание теоретических моделей поведения наносистем при синтезе наноматериалов и поиск оптимальных условий их получения (синтетическая нанохимия);
|
|
§ изучение биологических наносистем и создание методов использования наносистем в лечебных целях (медицинская нанохимия);
§ разработку теоретических моделей образования и миграции наночастиц в окружающей среде и методов очистки природных вод или воздуха от наночастиц (экологическая нанохимия).
Медицина и здравоохранение. Получены данные о том, что применение
наноустроиств и наноструктурных поверхностей может на порядок повысить
эффективность анализа в столь трудоемкой области биологии, как расшифровка
генетического кода. Развитие методов определения индивидуальных
генетических особенностей привело к революции в диагностике и лечении
болезней. Помимо оптимизации назначения лекарственных препаратов,
нанотехнология позволила разработать новые методы доставки лекарств к
больным органам, а также значительно увеличить степень их лечебного
воздействия. Достижения нанотехнологий используются в исследованиях по
клеточной биологии и патологии. Развитие новых аналитических методик,
пригодных для работы в нанометровом масштабе, значительно повысило
эффективность исследований химических и механических свойств клеток
(включая деление и движение), а также позволило измерять характеристики
отдельных молекул. Эти новые методики стали существенным дополнением
методик, связанных с исследованием функционирования живых организмов.
Кроме того, регулируемое создание наноструктур приводит к созданию новых
биосовместимых материалов с повышенными характеристиками.
|
|
Молекулярные составляющие биологических систем (белки, нуклеиновые10
кислоты, липиды, углеводы и их биологические аналоги) являются примерами
материалов, чья структура и свойства определяются в наномасштабе. Многие
природные наноструктуры и наносистемы образуются при помощи
биологических методов самосборки. Искусственные неорганические и
органические наноматериалы могут вводиться в клетки, использоваться для
диагностики (например, с помощью создания визуализируемых квантовых
«точек») и применяться в качестве их активных компонентов.
Повышение объема памяти и быстродействия ЭВМ с помощью
нанотехнологий позволило перейти к моделированию макромолекулярных
сеток в реальном окружении. Такие расчеты чрезвычайно важны для
разработки биосовместимых трансплантатов и новых типов лекарств.
Перечислим некоторые перспективные применения нанотехнологий в
биологии:
Быстрая и эффективная расшифровка генетических кодов, что
представляет интерес для диагностики и лечения.
Эффективное и более дешевое медицинское обслуживание с
использованием дистанционного управления и устройств, работающих
внутри живых организмов
Новые методы введения и распределения лекарств в организме, что имело
бы большое значение для повышения эффективности лечения (например,
доставка препаратов к определенным местам в организме)
Разработка более стойких и не отторгаемых организмом искусственных
тканей и органов
Разработка сенсорных систем, которые могли бы сигнализировать о
возникновении болезней внутри организма, что позволило бы врачам
заниматься не сколько лечением, сколько диагностикой и
предупреждением заболеваний
Объекты супрамолекулярной химии
Впервые термин «супрамолекулярная химия» был введен в 1978 г.
лауреатом Нобелевской премии французским химиком Жаном-Мари Леном и
определен как «химия, описывающая сложные образования, которые являются
результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе
межмолекулярными силами». Приставка «супра» соответствует русской
приставке «над».
Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия (Supramolecular
chemistry) — междисциплинарная область науки, включающая химические,
физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем
молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством
межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий.
Объектами супрамолекулярной химии являются супрамолекулярные
ансамбли, строящиеся самопроизвольно из комплементарных, т. е. имеющих
геометрическое и химическое соответствие фрагментов, подобно
самопроизвольной сборке сложнейших пространственных структур в живой
клетке. Одной из фундаментальных проблем современной химии является
направленное конструирование таких систем, создание из молекулярных
«строительных блоков» высокоупорядоченных супрамолекулярных соединений
с заданной структурой и свойствами. Супрамолекулярные образования
характеризуются пространственным расположением своих компонентов, их
архитектурой, «супраструктурой», а также типами межмолекулярных
взаимодействий, удерживающих компоненты вместе. В целом
межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что
супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более
лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы.