Новые научные направления современной химии и их прикладное использование
Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения используются в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более производство DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.
Нанохимия - это синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.
Ниже перечислены направления исследований в нанохимии:
- разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов;
- изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях. Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.
- разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.
- получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.
- изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.
- исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.
Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий:
- методологию изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы.
- новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики;
- оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия.
- методологию предотвращения химической деградации технических наноструктур;
- методики прогноза химической деградации.
- нанолекарства для терапии и хирургии, препараты на основе гидроксиапатита для стоматологии;
- способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля.
- методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;
- методики регулирования пространственной организации наноструктур.
- новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.
2.4 Фемтохимия
Фемтохимия исследует время движения реагирующих систем на потенциальной поверхности и вводит в химию экспериментальную химическую динамику как высшую, элитарную часть химической кинетики.
Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило крупный прорыв в фемтохимию; это новая химия, детектирующая химические события в масштабе ультракоротких времён 10-15-10-14 с (1-10 фемтосекунд). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10-13-10-11 с). Благодаря такому соотношению времён фемтохимия «видит» саму химическую реакцию - как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов.
В частности, фемтохимия занимается изучением переходного состояния химической реакции. Переходное состояние – это область межатомных расстояний, лежащая на пути от реагентов к продуктам, в которой система проходит через такие структуры, которые уже нельзя назвать реагентами, но ещё нельзя считать продуктами. Временная эволюция конфигурации атомов называется динамикой переходного состояния. Так как время пребывания молекулярной системы в переходном состоянии составляет всего порядка 100 фс, то до появления соответствующих инструментов исследователям приходилось восстанавливать его динамку, изучая кинетики реагентов и продуктов. Этих данных оказалось недостаточно для однозначного восстановления последовательности событий. Лишь с открытием в недавнем времени лазеров, изучающих ультракороткие импульсы длительностью 100 фс, появились новые экспериментальные возможности:
- при длительности импульса τ = 10-14 с и скорости атома v = 105 см/с детектируются изменения расстояний в молекулярной системе на 0.1 Å, что позволяет с хорошей точностью проследить временную эволюцию конфигурации ядер;
- Вследствие когерентности импульса возможно когерентное возбуждение нескольких колебательных или вращательных состояний молекулы с определёнными относительными фазами движения атомов.
Такой тип возбуждённых состояний называется когерентным ядерным волновым пакетом.
- При энергии 1 мкДж импульса длительностью τ = 10-14 с, пиковая мощность равна P = 100 МВт, поэтому можно легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, получая высоковозбужденные молекулярные системы. Под действием таких импульсов на вещество генерируются импульсы света в широком спектральном диапазоне (суперконтинуум), рентгеновского излучения и электронов.
Этот крупный прорыв в современной химии открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки - фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии (ППЭ) и т.д.
Основные направления этих новых областей исследований – это исследования детальных микроскопических химических и биологических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени.
2.5 Синтез фуллеренов и нанотрубок
Фуллерены и нанотрубки — это обширные классы интереснейших наноструктур. Например, среди фуллеренов известно множество частиц и изомеров от малых (С20, С28) до гигантских (С240, С1840) с совершенно различными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.
Синтезированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кристаллов. Например, фуллерен С28 имеет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза — гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (оксидов, дихалькогенидов металлов и прочих), по своей структуре подобных фуллеренам.
Из нанотрубок получают очень интересные материалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из переплетенных, подобно растительным волокнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. Если вспомнить, что прочность нанотрубок в 50-100 раз больше, чем у стали, то становится понятно, что подобные изобретения человечеству весьма пригодятся. Найдены вполне реальные области применения нанотрубок — например, в плоских дисплеях (фирма «Motorola»), которые превосходят плазменные и жидкокристаллические аналоги, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10-15 г) - в частности, вирусы.
