A'zolar: Igor Vladimirovich Melixov

Zamonaviy nanokimyo. Nanokimyo Kimyoda tadqiqot predmetining nanokimyo evolyutsiyasi

Nazariy bilimlar sohasi sifatida «nano-fan» qachon paydo bo‘lgan? Sintezlanmagan, balki tabiat tomonidan yaratilgan organik nanostrukturalar bormi? Nanostrukturalarni tavsiflovchi matematik modellar yordamida tirik hujayraga qanday ta'sir qilish mumkin? Nanostrukturalarning "sehrli raqamlari" nima? Kimyogarlar Igor Melixov va Viktor Bozhevolnov jismoniy olam va nanodunyo o'rtasidagi chegara qayerda joylashgani haqida gapirishmoqda.

A'zolar:
Igor Vladimirovich Melixov- Rossiya Fanlar akademiyasining muxbir a'zosi, Moskva davlat universiteti kimyo fakulteti professori. Lomonosov
Viktor Evgenievich Bozhevolnov- kimyo fanlari nomzodi, Moskva davlat universiteti kimyo fakulteti ilmiy xodimi. Lomonosov
Mavzuga umumiy nuqtai
Nanotizimlar deganda odatda gaz yoki suyuq muhit bilan o'ralgan jismlar to'plami tushuniladi, ularning o'lchamlari 0,1-100 nm oralig'ida qoladi. Bu so'zning o'zi yunon tilidan olingan. nanos- "mitti". Bunday jismlar ko'p atomli klasterlar va molekulalar, nanodramchalar va nanokristallar bo'lishi mumkin. Bu atomlar va makroskopik jismlar orasidagi oraliq shakllar bo'lib, nanosistemalarni o'rganishning ahamiyatini belgilaydi.
Nanobodlar, ya'ni o'ta kichik jismlarning o'ziga xos xususiyati shundaki, ularning o'lchamlari atomlararo o'zaro ta'sir kuchlarining ta'sir radiusiga, ya'ni tana atomlarini olib tashlash kerak bo'lgan masofaga mutanosib bo'lib, ularning o'zaro ta'siri xususiyatlariga sezilarli darajada ta'sir qilmaydi. Ushbu xususiyat tufayli nanobodlar bir-biri bilan va atrof-muhit bilan makrotanalarga qaraganda boshqacha munosabatda bo'lishadi. O'zaro ta'sirning o'ziga xosligi shunchalik kattaki, nanosistemalarni o'rganish uchun ilmiy tadqiqotning maxsus yo'nalishi shakllandi, uni nanotizimlarning fizikokimyosi yoki qisqacha aytganda, nanokimyo deb atash mumkin.
Nanozarrachalar massasi har bir zarracha termal harakatda yaxlit ishtirok etishi uchun yetarlicha kichik bo'lishi muhim. Oxirgi holat ularning barcha navlarini birlashtiradi va fundamental ahamiyatga ega, chunki u sinash va xatolik yo'li bilan izlash va pirovardida termodinamik optimallarni topish yo'li bilan nanozarrachalarni tegishli nanostrukturalarga o'z-o'zidan yig'ish imkoniyatini beradi.
Kimyoda nanointervalning chegaralari shartli. Tananing xususiyatlari uning kattaligiga turli darajada sezgir. Ba'zi xususiyatlar 10 nm dan ortiq o'lchamlarda o'ziga xosligini yo'qotadi, boshqalari - 100 nm dan ortiq. Shuning uchun, kamroq xususiyatlarni hisobga olishdan chiqarib tashlash uchun nanointervalning yuqori chegarasi 100 nm ga teng bo'lishi kerak. Shunday qilib, nanomoddalarning chegaralari kengayib bormoqda va tadqiqot va keyingi umumlashtirish uchun kengroq maydon ochilmoqda.
Tabiiyki, nanostrukturalar tabiatda mavjud bo'lib, bu erda birinchi navbatda oqsil jismlarida nanomoddalarning shakllanishiga oid misollar qiziq. Tirik hujayrada sodir bo'ladigan eng muhim biologik reaktsiyalar oqsil nanostrukturalarida sodir bo'ladi. Bunga misol qilib fotosintez reaksiya markazining pigment-oqsil kompleksini keltirish mumkin, unda xlorofill tabiatining olti molekulasi oqsil matritsasiga angstromning o'ndan biriga teng takroriy aniqlik bilan kiritilgan. Bu pigmentlar pigmentlar orasidagi elektronlarning oʻta tez oʻtishi hisobiga quyosh energiyasini 100% kvant samaradorligi bilan ajratilgan zaryad energiyasiga aylantirish jarayonini amalga oshiradi. Bunday samaradorlik hatto fizikada ham ma'lum emas. Pigmentlar orasidagi elektron uzatish vaqti eksperimental tarzda aniqlanadi, bu 20 femtosekunddan kamroq qiymatni beradi. Yadro quyi tizimining tegishli chastotalar bilan harakati ham eksperimental tarzda aniqlanadi, bu elektronlarni uzatish va ajratilgan zaryadlarni barqarorlashtirish uchun zarur yadro konfiguratsiyasini yaratadi. Ushbu ma'lumotlarni rentgen difraksion tahlili bilan birlashtirish bunday nanostrukturadagi pigmentlar o'rtasida elektron o'tkazishning molekulyar mexanizmlari va yo'llarini o'rnatish imkonini beradi.
Tabiatda tabiiy ravishda paydo bo'lgan nanostrukturalarning yana bir misoli mineralogiya sohasiga tegishli. Shunday qilib, taxminan 4,5 milliard yil davomida quyosh shamoli tomonidan proton bombardimoniga uchragan Oy tuprog'i namunalarini o'rganish unda sodir bo'lgan bir qator odatda qaytarilmas jarayonlarni ko'rsatdi. U erda, odatda, barcha jinslar tashkil topgan oksidlarning qaytarilishi metall-kislorod bog'lanish energiyasiga teskari proportsional chuqurlikda sodir bo'ldi. Ushbu bog'lanish qanchalik oson uzilgan bo'lsa, regolit shunchalik chuqurroq tiklanish jarayonlaridan o'tdi, ba'zan esa nol valentlik holatiga tushadi. Temir maksimal chuqurlikda, xrom sayozroq chuqurlikda, kremniy, marganets, magniy va boshqalar, hatto sirtga yaqinroq - barcha 12 asosiy tosh hosil qiluvchi elementlarda kamayadi. Ammo yana bir muhim voqea ham yuz berdi: sirtda kristallarning amorfizatsiya jarayoni sodir bo'ldi, ya'ni ular shunchaki qulab tushdi va ruda konlari institutida olib borilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, ular nano holatga tushib ketdi.
Biologik nanostrukturalarni fizik va kimyoviy usullarning butun arsenalidan, shu jumladan NMR, EPR, optik, ultrabinafsha, eng yuqori vaqt aniqligiga ega infraqizil spektroskopiya yordamida ajratib olish, tozalash, kristallash va o'rganish mumkin - taxminan 15 femtosekund. Ushbu nanostrukturalarning eksperimental tadqiqotlari molekulyar dinamikaning kvant fizik hisoblari va elektronlarning o'zaro ta'siri bilan birga keladi. Shu bilan birga, biologik nanostrukturalar va ularning tuzilishi haqida ma'lum bo'lgan hamma narsa nanotexnologiyalar uchun zarur bo'lgan kimyoviy modellarni sintez qilishda qo'llanilishi mumkin.
Shu bilan birga, ortiqcha umumlashmalarga yo'l qo'ymaslik uchun, biologik nanozarralarning biologik ustki tuzilmalarga kondensatsiyasi va atom yoki oddiy molekulyar nanoagregatlarning shakllanishi o'rtasida tub farq borligini esga olish kerak. Biologik nanobloklarning (oqsillar, nuklein kislotalar) shakli, kimyoviy tuzilishi va sirt topografiyasi, qoida tariqasida, o'z-o'zini yig'ish natijasida yuzaga keladigan biologik ustki tuzilmalarning o'lchami va shaklini, ayniqsa, agar u sodir bo'lsa, aniq belgilaydi. in vivo. Noorganik dunyoda bu belgilovchi omillar ancha kam ifodalanadi. Bu erda sezilarli dalgalanmalar va juda keng o'lchamdagi taqsimotlar sodir bo'lishi mumkin.
Nanosistemalarning fizik-kimyosi bir vaqtning o'zida fizika va kimyoning bir qismi sifatida rivojlangan. Hozir bu fanning nisbatan yosh sohasi bo‘lib, u juda tez rivojlanmoqda. Ilmiy adabiyotlardagi nashrlar sonining o'sish sur'ati uning taraqqiyotining miqdoriy xarakteristikasi bo'lib xizmat qilishi mumkin. Nashrning nanointervalga qanchalik taalluqli ekanligini va umumiy kimyoga yoki, xususan, nanokimyoga tegishli ekanligini ko'pincha hal qilishning iloji bo'lmagani uchun ularning aniq sonini aniqlash qiyin, ammo taxmin qilish mumkin. Dastlabki ma'lumotlardan ko'rinib turibdiki, nanotizimlarning fizik kimyosi sezilarli sakrashlarsiz rivojlandi va nashrlarning umumiy soni o'tgan asrning oxiriga kelib 2,5-3 millionga etdi, asosiy jahon nashrlari tabiiy ravishda 1990-yillarga to'g'ri keladi. Asrning birinchi yarmida kolloidlar va aerozollarni, ikkinchi yarmida esa polimerlar, oqsillar, tabiiy birikmalar, fullerenlar va tubulenlarni oʻrganuvchi mutaxassislar nanokimyoga eng katta hissa qoʻshdilar.
Nanofizikaga kelsak, unda, o'z navbatida, ikki xil soha mavjud. Ulardan biri nanozarrachalar yoki polikristallardan nanometr o'lchamdagi kristallitlar bilan kukunlarni yaratish bilan bog'liq. Yana bir soha "mezoskopik" so'zi bilan bog'liq - "mikro" va "makros" o'rtasidagi xoch. Bunday holda, biz nanometr o'lchamdagi alohida zarrachalarning xususiyatlari haqida gapiramiz. Ular ba'zan sun'iy atomlar deb ataladi, chunki ular atomlar kabi diskret nurlanish spektriga ega.
Aytishimiz mumkinki, ular metallardan, o'tkazgichlardan, yarim o'tkazgichlardan, o'ta o'tkazgichlardan bunday zarrachalarni yasashni o'rganganlarida, eng muhimi, bunday zarrachani elektr zanjiriga kiritish, ya'ni tok o'tkazishni o'rganganlarida fizikada haqiqiy bum sodir bo'ldi. faqat u orqali. Kulon blokadasi fenomeni kabi bu hodisa Xarkov past haroratlar uchun fizika-texnika institutida nazariy jihatdan bashorat qilingan, keyin esa bu hodisa Moskva davlat universitetida eksperimental ravishda kashf etilgan. M. V. Lomonosov. Agar bitta elektron metall nanozarrachaga kirsa ham, sig'imning pastligi tufayli tegishli Kulon energiyasi haroratdan sezilarli darajada oshib ketishi ko'rsatilgan. Natijada, elektr tokining "blokadasi" mavjud.
Endi, Coulomb "blokadasi" deb ataladigan narsa asosida allaqachon bitta elektronli tranzistor yaratilgan. Bu bitta (!) elektronda ishlaydigan yakuniy miniatyuradir. Ushbu tranzistor bir necha yillardan beri ishlaydi va fizikada o'lchash moslamasi sifatida muvaffaqiyatli qo'llanilmoqda. Sezuvchanlikning ulkan rivojlanishi u bilan bog'liq. Supero'tkazgichlardan nanozarrachalardan foydalanish kvant kompyuterlarining asosiy elementiga aylanadigan kubitlarni (axborotning kvant bitlari) yaratishga imkon beradi.
Shunday qilib, nanotexnologiyalar tabiatshunoslik bilimlarining turli sohalarida g'ayrioddiy darajada keng tarqalganligi aniq. Bu erda bir nechta asosiy yo'nalishlarni ajratib ko'rsatish mumkin, ammo bu tanlov o'zboshimchalik bilan bo'ladi, chunki bu joylar ko'pincha bir-biri bilan kesishadi va eng muhimi, shunga o'xshash texnikaga tayanadi. Tadqiqotning asosiy yo'nalishlariga quyidagilar kiradi:
Fullerenlar va fullerenga o'xshash tuzilmalar sintezi. Metalllarning yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanligini o'rganish.
Klasterning atom harakatchanligi (birinchi navbatda, qattiq jismlardan past bo'lgan klasterlarning erish va muzlash nuqtalari, klasterlarning o'ziga xos qattiq-suyuqlik holatlari o'rganiladi va hokazo).
Nanoklaster reaksiyalari (asosan, klasterli sochilish va klasterli fotokimyoviy reaksiyalarning o‘ziga xos xususiyatlari o‘rganiladi).
Kvant nuqtalarini o'rganish (yarimo'tkazgichli klasterlar, ularning optik xususiyatlari, nurlanishning to'lqin uzunligi sozlanishi yorug'lik diodlari o'rganiladi).
Magnit xossalarini o'rganish, qattiq jismning kollektiv magnitlanishidan klasterning qobiq tuzilishiga o'tishda atomga to'g'ri keladigan magnit momentning o'zgarishini o'lchash.
Hozirgi vaqtda nanotizimlarning fizik-kimyosi rivojlanishning yangi bosqichiga yaqinlashdi, uni atomlar va nanozarrachalarning o'zaro ta'sirini kuzatish bilan vizualizatsiya qilish bosqichi deb atash mumkin. joyida. Avtoion, elektron, atom kuchi va tunnel mikroskopiya usullari ishlab chiqilgan bo'lib, bu individual atomning xatti-harakatlarini va individual nanotananing holatini kuzatish imkonini berdi. Hozirgi vaqtda spektral usullarning sezgirligi alohida molekulaning lyuminestsensiyasi va lyuminestsensiyasini o'lchash, infraqizil spektrlardan 50 va undan ortiq atomdan iborat molekulalarning tuzilishini baholash mumkin bo'lgan darajaga keltirildi. Alohida atomlar va nanobodlarni kuzatish keng tadqiqotchilar uchun mavjud bo'ldi. Hozirgi vaqtda bitta atom yoki molekulaning ishonchli tasvirini olish katta ilmiy yutuq deb hisoblansa-da, u o'ziga xos bo'lishni to'xtatdi. Misol uchun, 2000 yilda Nature jurnalida (T. Fishlok va boshqalarning ishi) mis monokristalining yuzasida alohida brom atomlarini kuzatish va maxsus nanomanipulyatorlardan birini ko'chirish mumkinligi haqida xabar berilgan. atomlar, qolganlarini deyarli o'zgartirmasdan, ilmiy tuyg'u sifatida qabul qilinadi. 2002 yildagi nashrlar DNK molekulalarining nanomanipulyatorlar tomonidan vizualizatsiyasi va harakati bo'yicha muhim, ammo oddiy voqea sifatida qaraladi. Ko‘rinishidan, nanokimyo nanomanipulyatorlar yordamida atomlardan nanobodlarni “yig‘ish” va jarayonning oraliq bosqichlarini vizualizatsiya qilish bilan atom ajralishi yoki uning biriktirilishi vaqtida nanobodikalarning xossalari qanday o‘zgarishini ochib berish imkoniyatiga duch kelmoqda.
Endilikda nanotizimlarning fizik kimyosi mustaqil fan sohasining barcha xususiyatlariga ega: oʻziga xos tadqiqot obʼyektlari, nazariyasi, eksperimenti (qidiruv metodologiyasi) va natijalar doirasi.
Nanotizimlar fizikokimyosining maxsus tarmog'i - uyushgan nanometrli plyonkalar, asosan, bir qatlamli (!) Langmuir-Blodgett plyonkalarini yaratish ancha amaliy soha deb atash mumkin. Bunday plyonkalar boshqariladigan tunnelli tizimlarni yaratish uchun olinadi va bu maqsadda molekulyar komplekslar bir elektronli plyonkalar uchun asos sifatida ishlatiladi. Nuklein kislotalarni o'z ichiga olgan Langmuir-Blodgett nanolatalarini yaratish bo'yicha ishlar olib borilmoqda, bu DNK immobilizatsiyasi uchun test tizimini yaratish uchun alohida qiziqish uyg'otadi. Ya'ni, qisqacha va ehtiyotkorlik bilan gapiradigan bo'lsak, nanokimyo o'zining organik sohasidagi birinchi qadam, oqsil jismlarini modellashtirish va dasturlash uchun asosdir.