Невозможное возможно – чудеса нанотехнологий

1.
Национальный исследовательский технологический
университет «МИСиС»
МИСиС»
заведующий кафедрой «Физическая химия»
химия»,
профессор,
профессор, доктор химических наук
Михаил Васильевич Астахов
Невозможное
возможно – чудеса
нанотехнологий
2.
В переводе с греческого слово «нано»
нано» означает
карлик.
карлик.
НАНО – 10-9
МИКРО
Наноматериалы
– 10-6
МИЛЛИ
– 10-3
Нанотехнологии
1 НАНОМЕТР=10-9 МЕТРА
1 НАНОМЕТР=10 АНГСТРЕМ
3.
Алюмосиликаты
ЦЕОЛИТЫ
www.jevel.ru
20 Å
4.
Магниточувствительные
бактерии
стрелки компаса
Магниточувствительные бактерии умеют синтезировать
кристаллы магнетита Fe3O4 практически одинаковой формы и
с узким распределением по размерам 5050-80 нм.
нм. Бактерии имеют
специальные органеллы – магнитосомы,
магнитосомы, в которых и
происходит синтез частиц магнетита из солей железа.
железа.
5.
Учимся у природы
Материал, которым изнутри
покрыты раковины моллюсков,
один из самых прочных, так что
он может стать прототипом
брони для "армии будущего".
Многослойная структура состоящая из
наноструктурных пластинок наблюдается в
природе при формировании раковин у
моллюсков.
6.
Наноматериалы и нанотехнологии
в живой природе
Ящерицы легко перемещаются по
различным вертикальным поверхностям и
даже по потолку
Волосообразные щетинки, обнаруженные на лапках
гекконов, представляют из себя лопатообразные
кончики из b-кератина размером 100-200нм.
Прочность сцепления 10Н/см2
7.
Наноматериалы до нашей эры
Косметологи древнего Египта
на протяжении многих веков для
окраски волос в черный цвет
применяли
естественный
минеральный
краситель
–
галенит,
галенит, то есть сульфид свинца
(PbS),
PbS), измельчая окрашивающие
частицы до размера
5 нанометров.
Современные технологии только
подошли к созданию таких красок
8.
Нанотехнологии до и после нашей эры
XVII век
«Кассиев пурпур»
От фиолетового до жёлтого,
можно наблюдать в «Кассиевом
пурпуре»,
представляющем
В XV – XVI веках итальянские гончары
собой коллоидный раствор. В использовали наноматериалы в промышленных
геле
оловянной
кислоты масштабах. Цветная глазурь на керамике своим
равномерно
распределены блеском обязана наличию в краске наночастиц
наночастицы золота. Назван
металла размером от 5•10-9 до 10-7 метра.
именем
гамбургского Некоторые сверкают золотым блеском, другие
стекловара
переливаются, меняя свой цвет при освещении
Андреаса Кассия
их под разными углами.
http://zhitanska.com/content/nanotehnologii-drevnih-tsivilizatsij
9.
«Химия и жизнь»
Уникальные свойства оружия,
оружия, сделанное Углеродные нанотрубки протяженные цилиндрические
из Дамасской стали,
стали, очень прочное и
структуры диаметром от одного до
острое.
острое. С помощью электронной
микроскопии было установлено,
установлено, что при нескольких десятков нанометров и
длиной до нескольких микрон.
микрон.
производстве Дамасской стали
Состоят из одной или нескольких
образовывались углеродные
свёрнутых в трубку
наноструктуры,
наноструктуры, подобные современным
гексагональных графенов
(графитовых)
графитовых) плоскостей
углеродным нанотрубкам .
Источник:
Источник: Журнал "Тонос"
Тонос"
(http://
tonos.ru)) M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann,
http://tonos.ru
N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006
НАНООБЪЕКТ
10.
В 1857 г. М. Фарадей впервые получил
устойчивые коллоидные растворы (золи)
золота, имеющие разный цвет
100 нм
20 нм
1400
Тплав Au
Тплавления= 1333 К
Au
40 нм
?
Т плавления≠ 1333 К
1000
600
5нм
5
r, нм
10
11.
Мессбауэровские спектры Fe2O3
(И.П. Суздалев и др.
др. 1971)
о
т
н
о
с
и
т
е
л
ь
н
а
я
и
н
т
е
н
с
и
в
н
о
с
т
ь
d >30 нм
7
7
4
6
5
dср=18 нм
3
4
dср=10 нм
6
5
2
Антиферромагнетик
α- Fe2O3
dср=25 нм
Ферримагнетик
γ- Fe2O3
dср=5 нм
суперпарамагнетик
Fe2O3
1, 2, 3 d<10нм
1
dср=3 нм
скорость мм/с
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
сегнетова соль
ферроцианид калия
100000
100
10000
ε
проницаемость,
Диэлектрическая
проницаемость
проницаемость, ,
Диэлектрическая
12.
50
0
200
1000
240
280
320
100
240
40
40
30
30
20
20
10
10
0
200
240
280
320
240
Температура, К
Температура,
Температура, К
280
320
280
320
13.
Рост кристаллов в микрокапсуле
раствор
раствор
раствор
>
Т1
14.
Т2
>
Т3
Зависимость фазового состава от размера наночастиц
Мессбауэровские спектры
1
0,98
,
Т=20оС
параэлектрик
0,96
0,94
-2
-1
0
1
2
Т=25оС
1
сегнетоэлектрик
0,98
,
0,96
0,94
-2
-1
0
1
2
1,00
0,99
-2
15.
-1
0
частицаноситель
1
2
Т=40оС
раствор
Модели колебательного
движения частиц
частица-частица
γ
После заполнения пор
носителя инертным
полимером
16.
Поглощение электромагнитного излучения наночастицами
металлов.
металлов.
а
a
с
a
a – наночастицы Fe3О4
a, c – наночастицы Fe и Ni
a – наночастицы Fe3О4
после заливки парафином
b – наночастицы Cu
d – наночастицы NiO
d и b – эти же образцы после
заливки их парафином
17.
Графен — двухмерный материал, состоящая из атомов углерода, образующих
шестиугольники.
скотч
скотч с графеном
графит
Кристалл графита + скотч = однослойная пленка - графен → Нобелевская
премия по физике 2010 года.
Строение кристаллической решетки
графита
Лауреаты
Андрей Гейм и Константин Новосёлов
18.
Цеолиты и другие
нанопористые материалы
нанопленки
наночастицы
Нанообъект – это элемент структуры объемного материала
или конденсированная фаза, способная к самостоятельному
существованию, с одним или несколькими нанометрическими
размерами, при условии, что хотя бы одно из физических,
химических или механических свойств этого объекта зависит от
его размера.
19.
Промышленность
Энергетика
Электроника
Экология
Медицина
Коммунальное
хозяйство
Транспорт
Строительство
20.
Получение нанопорошков с помощью
биотехнологий
Исходное сырье
Биотехнология:
Биотехнология: нанопорошки из техногенных
техногенных отходов
переработка железистых
отходов
шлак
Получаемый продукт:
продукт: частицы оксидов железа размером от 1010-30 nm
21.
Графен — двухмерный материал, состоящая из атомов углерода, образующих
шестиугольники.
скотч
скотч с графеном
графит
Кристалл графита + скотч = однослойная пленка - графен → Нобелевская
премия по физике 2010 года.
Строение кристаллической решетки
графита
Лауреаты
Андрей Гейм и Константин Новосёлов
22.
Нанокристаллические сцинтилляторы
Сцинтилляторы — вещества,
вещества, обладающие способностью излучать
свет при поглощении ионизирующего излучения.
излучения.
α
β
Нанокристаллический
сцинтиллятор BaF2
Монокристаллический
сцинтиллятор BaF2
23.
НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА –
ЗАЩИТА ОТ БАКТЕРИЙ
Коллоидный раствор
частиц серебра
(размер частиц 5 – 10 нм)
нм)
Колония листерий –
бактерий,
вызывающие
пищевое отравление
Воздействие
раствора наночастиц
серебра
на популяцию
листерий
1,5 часа
24.
Влияние наночастиц серебра и кобальта на формирование
проростков семян свеклы и рост хвойных деревьев..
1
2
3
1 – замачивание семян в воде; 2 - замачивание
семян в жидкости
с нанокластерами серебра; 3 - замачивание семян
в жидкости
с нанокластерами кобальта