Тема 24

Нанотехнология и наноматериалы

Что проверяют по спецификации:

Нанометр и наномасштабПочему свойства наночастиц отличаются: размерный эффект, отношение поверхности к объёмуУглеродные наноматериалы: фуллерены, нанотрубки, графенМетоды исследования: СЗМ, АСМ, электронный микроскопМетоды получения: «сверху вниз» и «снизу вверх»Применение в медицине, электронике, энергетике; риски

Суть за минуту

Нанотехнология работает с объектами размером 1–100 нанометров — это тысячные доли толщины волоса. На таком масштабе свойства вещества меняются: золото краснеет, углерод образует сверхпрочные нанотрубки и графен, частицы становятся химически активнее, потому что большая доля атомов находится на поверхности. Наноматериалы уже применяют в электронике, медицине, энергетике и строительстве.

Главные формулы

1 нм=10−91\text{ нм}=10^{-9} м
Нанометр
SV=6a\dfrac{S}{V}=\dfrac{6}{a} (куб), SV=3r\dfrac{S}{V}=\dfrac{3}{r} (шар)
Отношение поверхности к объёму растёт при уменьшении размера
N=(ab)3,SN=ab SN=\left(\dfrac{a}{b}\right)^3,\quad S_N=\dfrac ab\,S
Кубик a, разрезанный на кубики b: число частей и суммарная площадь

Понятия и термины

Наномасштаб
Размеры 1–100 нм; атом ≈ 0,1 нм, ДНК ≈ 2 нм, вирус ≈ 100 нм
Размерный эффект
Зависимость свойств вещества (цвет, температура плавления, прочность, проводимость) от размера частиц
Фуллерен
Молекула из атомов углерода в форме замкнутой сферы; C₆₀ похожа на футбольный мяч (открыта в 1985 г.)
Углеродная нанотрубка
Свёрнутый в цилиндр лист графена; в десятки раз прочнее стали при меньшей плотности
Графен
Слой углерода толщиной в один атом с гексагональной решёткой (Гейм и Новосёлов, Нобелевская премия 2010)
СЗМ
Сканирующий зондовый микроскоп: туннельный (СТМ) и атомно-силовой (АСМ); позволяет видеть отдельные атомы
Квантовые точки
Полупроводниковые нанокристаллы, цвет свечения которых зависит от размера

Разбор темы

Что такое наномир

Приставка «нано» означает 10⁻⁹. Толщина волоса ≈ 80 000 нм, эритроцит ≈ 7000 нм, вирус ≈ 100 нм, молекула ДНК в ширину ≈ 2 нм.

Идею манипулирования отдельными атомами высказал Р. Фейнман (1959): «Внизу полным-полно места». Термин «нанотехнология» ввёл Н. Танигути (1974).

Почему наночастицы особенные

При уменьшении частицы доля атомов на поверхности резко растёт. У кубика со стороной 1 см она ничтожна, у частицы в 3 нм — почти половина. Поверхностные атомы активнее, поэтому наночастицы — прекрасные катализаторы.

Меняются оптические свойства: наночастицы золота окрашивают стекло в рубиновый цвет (витражи средневековых соборов, кубок Ликурга), квантовые точки светятся разным цветом в зависимости от размера.

Снижается температура плавления, меняются прочность, магнитные и электрические свойства; проявляются квантовые эффекты.

Углеродные наноматериалы

Аллотропные модификации углерода: алмаз (тетраэдрическая решётка), графит (слои), фуллерены, нанотрубки, графен.

Нанотрубки: прочнее стали в 50–100 раз, проводят ток лучше меди, могут быть металлами или полупроводниками.

Графен прозрачен, гибок, рекордно теплопроводен и электропроводен; перспективен для гибких экранов, сенсоров и аккумуляторов.

Как исследуют наномир

Оптический микроскоп не различает объекты меньше ~200 нм из-за дифракции.

Электронные микроскопы (просвечивающий и растровый) используют электроны с очень малой длиной волны.

Сканирующий туннельный микроскоп (Бинниг и Рорер, 1981) измеряет туннельный ток между иглой и поверхностью; атомно-силовой — силу взаимодействия иглы с атомами. Ими можно даже перемещать отдельные атомы.

Как получают наноматериалы

«Сверху вниз»: измельчение крупного материала — помол, литография (так производят процессоры с элементами в несколько нанометров), травление.

«Снизу вверх»: сборка из атомов и молекул — химическое осаждение из газа, самосборка, коллоидный синтез. Так растят нанотрубки и квантовые точки.

Применение и риски

Электроника: транзисторы размером несколько нанометров, флеш-память, QLED-экраны. Медицина: адресная доставка лекарств, диагностика, антибактериальные покрытия с наносеребром.

Энергетика: эффективные солнечные батареи, аккумуляторы, катализаторы. Материалы: самоочищающиеся стёкла (эффект лотоса), прочные лёгкие композиты, солнцезащитные кремы с наночастицами TiO₂ и ZnO.

Риски: наночастицы могут проникать через кожу и лёгкие в клетки, их влияние на здоровье и экологию изучено не полностью; нужны стандарты безопасности. В Казахстане нанотехнологии развивают в Назарбаев Университете и КазНУ.

Примеры задач с решением

Задача 1Кубик со стороной 1 см разрезали на кубики со стороной 10 нм. Во сколько раз выросла суммарная площадь поверхности?
  1. Отношение сторон a/b=10−2/10−8=106a/b=10^{-2}/10^{-8}=10^6.
  2. Площадь растёт в a/b=106a/b=10^6 раз (число кубиков 101810^{18}).
Ответ В 10⁶ раз
Задача 2Во сколько раз отношение S/V у шарика радиусом 5 нм больше, чем у шарика радиусом 5 мм?
  1. S/V=3/rS/V=3/r, отношение =5⋅10−35⋅10−9=106=\dfrac{5\cdot10^{-3}}{5\cdot10^{-9}}=10^6.
Ответ В 10⁶ раз
Задача 3Диаметр молекулы C₆₀ около 0,7 нм. Сколько таких молекул уложится в ряд на отрезке толщиной в волос (70 мкм)?
  1. N=7⋅10−57⋅10−10=105N=\dfrac{7\cdot10^{-5}}{7\cdot10^{-10}}=10^5.
Ответ ≈ 100 000

Частые ловушки на ЕНТ

  • Наномасштаб — 1–100 нм, а не микрометры.
  • При уменьшении частицы отношение площади к объёму растёт.
  • Оптический микроскоп не видит атомы — нужны СЗМ или электронный микроскоп.
  • Графен — один слой атомов, графит — много слоёв.
  • «Снизу вверх» — сборка из атомов, «сверху вниз» — измельчение.

Запомнить

1 нм = 10⁻⁹ м. S/V ~ 1/размер. Углерод: алмаз, графит, графен, нанотрубки, фуллерен C₆₀. СТМ/АСМ видят атомы.

Проверь себя

1. Сколько метров в нанометре?
  1. 10⁻⁶
  2. 10⁻⁹
  3. 10⁻¹²
  4. 10⁻³
Показать ответ

10⁻⁹ Нано = 10⁻⁹.

2. Почему наночастицы химически активнее?
  1. Они тяжелее
  2. Велика доля поверхностных атомов
  3. Они заряжены
  4. У них нет электронов
Показать ответ

Велика доля поверхностных атомов S/V растёт.

3. Что такое графен?
  1. Сфера из 60 атомов
  2. Слой углерода толщиной в атом
  3. Алмазная плёнка
  4. Полимер
Показать ответ

Слой углерода толщиной в атом Двумерный материал.

4. Какой прибор позволяет увидеть отдельные атомы?
  1. Лупа
  2. Оптический микроскоп
  3. Сканирующий туннельный микроскоп
  4. Телескоп
Показать ответ

Сканирующий туннельный микроскоп Разрешение до атомов.

5. Литография при производстве процессоров — это подход:
  1. Снизу вверх
  2. Сверху вниз
  3. Самосборка
  4. Катализ
Показать ответ

Сверху вниз Из крупного делают мелкое.

Связанные темы

12. Электрический ток в различных средах6. Основы молекулярно-кинетической теории газов9. Жидкие и твёрдые тела

Узнай свой уровень: бесплатная диагностика ЕНТ