Публикации: Наноматериалы (рубрикатор)

Хорошо известно, что весь спектр научных дисциплин, начинающихся с префикса "нано", представляет собой междисциплинарный (или интердисциплинарный, или мультидисциплинарный, или международнодисциплинарный...) ландшафт. Исторически и из представлений удобства наночастицы очень часто (особенно химиками) помещаются между кластерами и макроскопическими телами. Интуитивно удобно использовать логическую цепочку: атомы => кластеры => наночастицы => макроматериал (или объемный, bulk материал). Составляющие этой цепочки призваны различить объекты с резко отличающимися свойствами в рамках отдельно взятого вещества (сложного или простого) с ростом числа простейших элементов (атомов), входящих в состав этого объекта. Конечно, тут существует и путаница с определениями, и с тем, что специалисты из разных областей выучились и привыкли называть одинаковые объекты по-разному, но не об этом речь.

Через химические реакции можно "связать" атомы в пучок и назвать получившееся кластером. Экспериментально показано, что кластеры, в свою очередь, являются интермедиатами в процессе формирования наночастиц, будь то синтез в газовой фазе, MOCVD, или синтез в органическом растворителе [1-3]. В широко цитируемой работе Аливисатоса из Science за 1996 год [4] упорядоченно, простым языком изложена концепция, почему наночастицы так отличаются от компактных материалов и какие последствия это за собой влечет. У шарика из тысячи атомов есть свои энергетические уровни и считаться с ними стоит, исходя из квантовой механики. Не говоря уже о том, что зависят эти уровни от всего, чего угодно (химия поверхности, форма частицы, дефекты структуры внутри и снаружи и т.д.). За три года до того, в 1993-ем, Мюррэй, Норрис и Боуэнди блестяще проиллюстрировали размерные эффекты экспериментально на примере селенида кадмия [5]. Следующей итерацией стала концепция "nanoparticles as artificial atoms" [6]. Если наночастицы такие монодисперсные (напомню, что монодисперсности можно добиться с точностью плюс-минус постоянная решетки [5]), то их, в свою очередь, можно использовать как "атомы", т.е. упорядочивать в аналогичные атомным решетки, т.е. строить макрообъекты по совершенно новому принципу и контролируемо [7]. Конечно это вызывает восторг и взрывает воображение. Потому как загадочным становится: а какими будут свойства? а как контролировать "сборку"? и т.д. Благо, государства (и не только) оплачивают удовлетворение любопытства. Но здесь стоит обратить внимание на ту проблему, что ученый, занимающийся подобным, сталкивается с тем, что от него требуется знание разных областей химии, физико-химических методов анализа, а также прикладной и теоретической физики. Плюс неплохо было бы понимать и осуществлять квантовые расчеты. Экспоненциально растет не только численность населения, но и требования к профессионалам.

Задуматься о вышеперечисленном меня подтолкнул свежеопубликованный обзор в журнале ACS Nano, под названием "Cluster-Assembled Materials" [8]. В обзоре рассматривается идея построения новых материалов из структурных элементов разных размеров (фуллеренов, неорганических кластеров, e.g. Al₁₃, As₁₁ etc.) и коллоидных наночастиц. Различие размеров составляющих частей приводит к различным масштабам периодичности и, как следствие, различным взаимодействиям и эффектам, действующих по своему в каждом конкретном случае. Фуллерены, стабильные и доступные кирпичики, склеенные макромолекулой, могут эффективно транспортировать электрический заряд и использоваться в солнечных батареях. Нейтральный кластер Al₁₃, имеет 39 "валентных" электронов и обладает высоким сродством к электрону (3.57 эВ), в чем подобен элементу хлору, а после присоединения электрона становится химически стабильным и подобен в этом инертным газам. Что в свою очередь уже породило "superatom concept" [9]. Монодисперсные наночастицы одного материала могут самоорганизовываться в "кристаллы" микроразмеров, а бинарные смеси наночастиц разных размеров позволяют получать такие "кристаллы" с самым разнообразным типом расположения наночастиц в них ("кристаллической решетки"). В зависимости от количественного соотношения двух типов частиц (стехиометрия) и различия в размерах, можно, например, из смеси 8.1 нм CdTe и 4.4 нм СdSe получить "кристаллы" c решеткой типа CaCu₅, ico-NaZn₁₃, cub-NaZn₁₃ и т.д. (очень рекомендую [10]). Помимо существенных различий в фундаментальных механизмах формирования и получения такого многообразия материалов, перспектива контроля свойств материала с момента его "рождения" воспламеняет энтузиазм ученых и стимулирует к новым свершениям. Основной идеей этого обзора является не конкретная экспериментальная процедура, а приглашение взглянуть на новую философию построения материалов, которая, в буквальном смысле, придает периодической системе третье измерение.

Опасность таких широких и красивых перспектив состоит в легкости спекуляций на них, а также безответственного подхода и наплыва неспециалистов, просто желающих поморочить головы (себе и другим). Эффективность исследований и действительного прогресса в этом направлении, позволящая разработать преобразователи ли энергии, накопители ли информации или какие-то принципиально новые устройства, зависит, в первую очередь, от глубины знания и понимания нескольких естественнонаучных дисциплин, а также способности применять эти знания на практике. Не слишком сильным преувеличением будет предположить, что текущий прогресс в области создания новых материалов это: а) основа для создания подходов к организации обучения (образовательного процесса) таким междисциплинарным наукам как нанотехнология, и б) серьезный толчок к пересмотру существующей системы подготовки специалистов в ВУЗе и особенно в аспирантуре.

Список литературы:

1. S. Kudera et al, Adv. Mater., 2007, 19, 548, 10.1002/adma.200601015;
2. Z. A. Peng, X. G. Peng, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3343, 10.1021/ja0173167;
3. T. Vossmeyer et al, Science, 267, 1476, 2003, 10.1126/science.267.5203.1476;
4. A.P. Alivisatos, Science, 271, 933, 1996, 10.1126/science.271.5251.933;
5. C.B. Murray et al, JACS, 115, 8706, 1993, 10.1021/ja00072a025;
6. R.C. Ashoori, Nature, 379, 413, 1996, 10.1038/379413a0
7. C.B. Murray et al, Science, 270, 1335, 1995, 10.1126/science.270.5240.1335;
8. S.A. Claridge, A.W. Castleman Jr, S.N. Khanna, C.B. Murray, A. Sen, P.S. Weiss, “Cluster-Assembled Materials”, ACS Nano, ASAP, опубликовано в интернете 05 Февраля 2009, 10.1021/nn800820e, скачать бесплатно;
9. R.E. Leuchtner et al, J. Chem. Phys., 91, 2753, 1989, 10.1063/1.456988;
10. E.V. Shevchenko et al, Nature, 439, 55, 2006, 10.1038/nature04414;

Для иллюстраций см. также "Философию наносинтеза"...