1. Понятие нанохимии
В современном обществе понятие нанохимии не является распространенным, поэтому для его принципиального отличия от нанотехнологии необходимо сравнить данные понятия.
Согласно Национальному стандарту РФ нанотехнология – это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба. В свою очередь, нанохимия - область химии, изучающая методы синтеза, химического анализа, физико-химические и термодинамические характеристики, химические свойства нанообъектов [1];
Нанохимия – это раздел химической науки, изучающий процессы, протекающие при формировании нанодисперсных систем, а также физико-химические свойства таких систем [2].
Нанохимия - наука о химических превращениях тел размером до 100 нм.
Нанохимия - область науки, связанная с получением и изучение физико-химических свойств частиц, имеющих размеры в несколько нанометров. Одна из приоритетных задач нанохимии – установление связи между размером наночастицы и её свойствами.
Как видно из приведенных выше определений, нанохимия относится к химическим наукам, но имеет свои специфические объекты исследования и является только одним из блоков, на которые опираются нанотехнологии и которая способна решить основную ее задачу – получение нанообъектов. При этом создание нанообъектов в данном направлении формируется на основе химических превращений веществ, в результате чего формирование этих объектов представляет собой сборку атомов в более сложную объемную структуру.
Отличительной особенностью нанохимии является ее интерес к анализу процессов и причины формирования или самоорганизации нанообъектов в тех или иных условиях, физико-химические основы процесса, а также внутренние свойства полученных веществ. При этом сама нанохимия, как и нанотехнология, ставит перед собой глобальные задачи по созданию сложных систем и материалов на их основе, однако возможность их реализации появляется только в процессе интеграции нанохимии с другими областями науки и техники.
При этом нанохимия как и любая другая наука включает в себя три основных компонента [3]: теоретическую составляющую - формирование основных законов и зависимостей зависимости структура(свойства) от условий синтеза, а также скорости изменения этих параметров в зависимости от условий, а также преобразование их в систему математических формул; экспериментальная составляющая – включает изучение основных физико-химических свойств наноматериалов включая создание приборов для их анализа, исследование влияния электрических, магнитных или механических воздействиях; и прикладная составляющая – использовании нанотел в технике, медицине, экологии, катализе и т.д.
Таким образом, нанохимия это синтетическая область научного познания, объединяющая в себе нанотехнологию и химию в одно целое и имеющая более специфическую направленность по сравнению с классическими направлениями науки.
2. История становления и развития нанохимии
2.1. История зарождения и становления нанохимии
Как указывалось ранее, нанохимия является совершенно новой формой научного знания. Однако, в отличие от других наук, таких как химия и физика, она не имеет отдельных периодов своего возникновения и развития. И вопрос об истории становления данного направления неразрывно связан с историей возникновения нанотехнологий.
Не смотря на то, что это совершенно новое направление в науке и технике, люди использовали физические свойства наночастиц давно для создания разнообразных материалов, хотя и неосознанно [4].
Так в Древнем Египте была разработана технология получения цветных стекол, окрашенных наночастицами металлов, которая дошла и до наших дней и была использована для окраски кремлевских звезд путем образования наночастиц золота или селена при добавлении солей металлов в расплавленное стекло. Следующим этапом явилось использование нанотехнологий в ремесленном производстве в Умбрии 15-16 веках, путем добавления в глазурь металлических частиц и обжигу посуды в специальных условиях и температурном режиме для придания ей блестящей поверхности.
Первым научным упоминанием наночастиц является открытое в 1827 году Р.Броуном беспорядочное движение частиц цветочной пыльцы, взвешенных в жидкостях, позднее такое движение было названо броуновским движением и положило и положило начало исследованиям этих эффектов [5]. Именно коллоидные системы (золи, жидкие кристаллы, пленки), развитие и изучение которых началось в этот период, с появлением коллоидной химии, можно назвать предшественниками наносиcтем.
Однако отправной точкой нанотехнологий и нанохимии можно считать созданный немецкими учеными электронный микроскоп в 1931 г. и лекцию Нобелевского лауреата Ричарда Феймана, прочитанную в Калифорнийском техническом институте «Там внизу много места». Он предположил, что возможно создание механизма, который бы мог создавать миниатюрные копии самого себя, при этом механизмы меньшего размера не теряли бы способность к дальнейшей репликации до атомного размера и будет способен вследствие сил молекулярного взаимодействия собираться обратно. Несмотря на фантастичность его идей, поскольку на тот момент не было никакой возможности проанализировать их как полноценные объекты макромира, его работу можно считать пророческой. Начиная с этого времени, все больше исследователей уделяет внимание созданию производства с небывалой ранее точностью.
В 1968 году сотрудники американского отделения исследования полупроводников Дж. Артур и А. Чо разработали теоретические основы нанообработки поверхностей. В 1973 году советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в области нанотехнологий.
Однако сам термин «нанотехнология» впервые использовал японский физик Норио Танигути в 1974 году, и под ним подразумевалось производство изделий из отдельно взятых атомов.
Такая возможность появилась значительно позднее с появлением приборов для измерения рельефа проводящих поверхностей высоким пространственным разрешением. Первым было открытие сканирующего туннельного микроскопа в 1981г. созданного Г. Биннигом и Г. Рорером в лаборатории IBM в Цюрихе, в котором исследуемая поверхность сканируется специальной иглой-зондом, а результаты регистрируются в виде туннельного тока. В это же время были создан атомно-силовой микроскоп, регистрация данных которого осуществлялась в виде механического отклонения микрозеркала.
Не смотря на это, интерес к нанотехнологиям не распространялся среди широкой публики. Настоящий бум нанотехнологий начался с книги Э. Декслера «Машины созидания: наступление нанотехнологической эпохи» (1986 г.), где автором были продемонстрированы перспективы наноиндустрии. Именно после этого термин стал известен широкой публике и в области нанохимии были сделаны первые существенные открытия пробудившие начало нанотехнологий в химической науке. Одновременно широкое распространение его книги, с описанием нанотехнологий как инициаторов глобальной катастрофы, которая приведет к уничтожению человеческой расы, настроило общественность против их развития и применения в каких-либо жизненных областях. Этот факт способствовал значительному торможению развития исследований в данной области, так как финансирование средств в крупных нанопроекты значительно сокращалось.
Не смотря на это, первым и самым широким как научным, так и коммерческим примером успеха химического направления нанотехнологий стало создание фуллеренов [4] - молекулярных соединений, в которых четное количество трехкоординированного атома углерода образует объемные замкнутые многогранные структуры. При этом нанохимия сразу стала носить не только фундаментальный, но и прикладной характер и практически все химически созданные наноматериалы были коммерционализованы. В частности фуллерены были созданы группой ученых Роберт Кёрл, Харольд Крото, Ричард Смолли, Хис и О’Брайен в 1985 г. и в дальнейшем показали себя как перспективные материалы для полупроводниковых систем, фоторезисторов и затравка для роста алмазных пленок.
Данное открытие и дало толчок для развития нанохимии как отдельной науки в рамках химии и нанотехнологии. На основе этого открытия были созданы углеродные нанотрубки диаметром всего 0,8 нм и нанотрубки на основе других химических соединений, таких как BN, MoS2, WS2, V2O5, TiO2, разработаны методы синтеза наночастиц в коллоидных нанореакцторах, создание объемных фотонных кристаллов и мезопористых молекулярных сит. Материалы на их основе проявляли уникальные показатели прочности в зависимости от длины конструкций.
Нельзя оставить без внимания и другие открытия, на основе которых сформировался ряд основных задач и направлений нанохимии.
Лауреат Нобелевской премии, французский химик профессор Жан-Мари Лен (Jean-Marie Lehn) – один из основоположников супрамолекулярной химии. Основные направления его исследований включают органический синтез и химию комплексных соединений. В 1987 г. Жан-Мари Лен получил Нобелевскую премию «за разработку и применение молекул со структурно-специфическими взаимодействиями с высокой селективностью»
Также, к открытиям в области нанохимии можно отнести созданную Робертом Магерле технологию нанотомографии, позволяющей создавать трехмерные структуры самых разнообразных наноматериалов, которые бы в полной мере отражали их внутренний состав.
Не менее важным для нанохимии стало создание технологии по модификации углеродных нанотрубок молекулами ДНК. Что открыло возможности перед нанохимикам получать полноценные композиционные материалы с требуемыми свойствами посредством модификации.
При этом первым примером управления наномиром можно считать выложенный из атомов ксенона логотип фирмы IBM с использованием ранее разработанного сканирующего туннельного микроскопа.
Позднее, американские ученые профессор физики Марк Рид и профессор химии Джеймс Тур разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.
Начиная с 2000 года историю развития нанотехнолгий стали уже делить на определенные периоды. Так самым первым ярко выраженным периодом становится этап «пассивных наноструктур» (2000-2005 гг.). В данный период реализуются проекты по созданию и определению областей применения наноматериалов, а также внедрение значительного их колическтва в производственные структуры. Именно в этот период в 2004 году в Манчестерском университете было получено небольшое количество материала, названного графен [6], обладающего необычно высокой электропроводностью, обусловленной специфической электронной структурой и имеющего огромное значение для нанохимии и сегодня. Монослой данного материала способен выдерживать механические воздействия превышающие его собственный вес во много раз, при этом не наблюдается деформация и разрушение материала.
Кроме того появляются открытия связанные с внедрением ультрадисперсных порошков в базовые материалы. Появляются первые модифицированные металлы и их сплавы, керамические и полимерные материалы.
В этот период происходят и важные открытия в рамках задач нанохимии. Так, было установлено что наночастицы, попадая в организм, способны преодолевать его барьеры, которые не способны преодолеть сами биологически активные вещества, что значительно может многократно увеличить эффективность вводимых лекарственных препаратов. Также происходит активирование и другого направления развития нанохимии, связанного с разработкой различных каталитических систем (керамические нановолокна, нанопористые мембраны и катализаторы), однако в то время они были направлены в основном на решение задач нефте- и газодобычи.
Актуальным становится вопрос о возможности создания мембранных систем для решения проблем, связанных с возможностью появления дефицита питьевой воды в недалеком будущем, ввиду роста населения и глобального ее потребления не только для человеческих, но и для крупнотоннажных технологических нужд.
В это же время начинается и глобальное финансирование проектов по поддержке фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологий. Так в 2003 году США приняло закон «21st Century Nanotechnology Research and Development Act», согласно которому 3,7 млрд. долларов направлялся для решения научных, энергетических, аэрокосмических, экологических задач в этой области.
В Европе для этих целей была создана «Европейская ассоциация нанобизнеса», подразумевающая финансирование для создания конкурентоспособной промышленности, с применением нанотехнологических продуктов.
Необходимо отметить, что США и Евросоюз, поняв потенциальные возможности наноматериалов, стали вкладывать в его развитие (включая нанохимическое направление) огромное финансирование, которое достигло к концу первого периода 225 млрд. долларов.
Вплоть до 2005 г. по нанотехнологическим направлениям было опубликовано великое множество работ (по сравнению с классическими направлениями науки), посвященных синтезу и возможности применения нанообъектов в самых различных отраслях науки и техники. Такой интерес связан в первую очередь с тем, что исследования в данной области привели к открытию многих уникальных свойств вещества в нанокристаллическом состоянии. Нанотехнологии и ее промышленные разработки настолько быстро входят в жизнь, что сама нанотехнология и ее направления рассматриваются как символ новой научно-технической революции. Это свидетельствует об актуальности развития нанотехнолигических дисциплин в современном мире.