НАНОДИСПЕ́РСНЫЕ КОЛЛО́ИДНЫЕ СИСТЕ́МЫ

НАНОДИСПЕ́РСНЫЕ КОЛЛО́ИДНЫЕ СИС­ТЕ́МЫ, ульт­ра­мик­ро­ге­те­ро­ген­ные сис­те­мы с раз­ме­ра­ми час­тиц дис­перс­ной фа­зы от 1 до 100 нм. Для дис­пер­сий с та­ки­ми раз­ме­ра­ми час­тиц осо­бен­но яр­ко вы­ра­же­ны мас­штаб­ные (раз­мер­ные) эф­фек­ты: за­ви­си­мость от раз­ме­ра на­но­ча­стиц кри­стал­ли­че­ской и аморф­ной струк­ту­ры, тер­мо­ди­на­мич. свойств (те­п­ло­ём­ко­сти, темп-ры плав­ле­ния, темп-ры Де­бая), рас­тво­ри­мо­сти, ме­ха­нич. свойств (проч­но­сти, пла­стич­но­сти), маг­нит­ных и элек­трич. свойств, хи­мич. свойств (напр., ка­та­ли­тич. ак­тив­но­сти) и др.

К Н. к. с. от­но­сят­ся лю­бые кол­ло­ид­ные сис­те­мы, со­дер­жа­щие час­ти­цы хо­тя бы с од­ним на­но­раз­мер­ным па­ра­мет­ром: зо­ли, ге­ли, ми­цел­ляр­ные сис­те­мы, мик­ро­эмуль­сии, плён­ки, мо­но­слои, слои­стые и по­рис­тые струк­ту­ры и т. д. Клас­сич. при­мер Н. к. с. – кол­ло­ид­ное зо­ло­то (зо­ли зо­ло­та), из­вест­ное рим­ля­нам ещё в ан­тич­ные вре­ме­на и ши­ро­ко ис­поль­зуе­мое для ок­ра­ши­ва­ния стё­кол: ок­ра­ска зо­ля за­ви­сит от раз­ме­ра час­тиц зо­ло­та (наи­мень­ший раз­мер час­ти­цы – 2 нм). При­ме­ра­ми ши­ро­ко ис­поль­зуе­мых Н. к. с. яв­ля­ют­ся пла­ти­но­вая чернь, об­ла­даю­щая вы­со­кой ка­та­ли­тич. ак­тив­но­стью, и кван­то­вые точ­ки – на­но­фа­зы по­лу­про­вод­ни­ков (напр., CdSe, PbSe). Важ­ным сти­му­лом для ис­сле­до­ва­ния Н. к. с. по­слу­жи­ла идея о без­гра­нич­ных воз­мож­но­стях прак­тич. ис­поль­зо­ва­ния на­но­си­стем для соз­да­ния «ми­ниа­тюр­ных ма­шин», вы­ска­зан­ная Р. Фейн­ма­ном в 1959. Тер­мин «на­но­ча­сти­ца» вме­сто сло­во­со­че­та­ния «ульт­ра­дис­перс­ная час­ти­ца» ис­поль­зу­ет­ся в на­уч. ли­те­ра­ту­ре с 1976.

Обыч­но объ­ём­ны­ми свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют на­но­ча­сти­цы, со­дер­жа­щие не ме­нее 10⁶ ато­мов. Их фа­зо­вое со­стоя­ние не­от­ли­чи­мо от фа­зо­во­го со­стоя­ния мак­ро­фа­зы: час­ти­ца пред­став­ля­ет со­бой го­мо­ген­ный объ­ём мак­ро­фа­зы, ок­ру­жён­ный по­верх­но­стью, не влияю­щей на тер­мо­ди­на­мич. свой­ст­ва мик­ро­фа­зы. По ме­ре умень­ше­ния мас­сы час­ти­цы – в за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды ве­ще­ст­ва обыч­но при раз­ме­рах час­тиц от 50 до 0,5 нм – рез­ко воз­рас­та­ет (до пре­дель­ной ве­ли­чи­ны) удель­ная по­верх­ность дис­перс­ной фа­зы. Чис­ло ато­мов на по­верх­но­сти час­ти­цы ста­но­вит­ся боль­ше, чем чис­ло ато­мов в объ­ё­ме. В этом слу­чае по­верх­ность вли­я­ет на свой­ст­ва: за­ви­ся­щая от раз­ме­ра час­ти­цы сво­бод­ная по­верх­но­ст­ная энер­гия вы­зы­ва­ет об­ра­зо­ва­ние за­ро­ды­шей разл. струк­ту­ры и на­но­ча­сти­ца пред­став­ля­ет со­бой но­вую фа­зу, тер­мо­ди­на­мич. свой­ст­ва ко­то­рой от­лич­ны от свойств мак­ро­фа­зы. Час­ти­цы с раз­ме­ром ме­нее 1 нм яв­ля­ют­ся кла­сте­ра­ми мо­ле­кул.

В со­от­вет­ст­вии с аг­ре­гат­ным со­стоя­ни­ем дис­пер­си­он­ной сре­ды ис­поль­зу­ют разл. на­зва­ния Н. к. с., в т. ч. на­но­ма­те­риа­лы и на­но­жид­ко­сти. На­но­жид­ко­сти пред­став­ля­ют со­бой кол­ло­ид­ные сис­те­мы (зо­ли, ус­той­чи­вые к коа­гу­ля­ции и се­ди­мен­та­ции), со­дер­жа­щие на­но­ча­сти­цы раз­ме­ром ок. 10 нм в во­де, мас­ле, ор­га­нич. рас­тво­ри­те­ле с кон­цен­тра­ци­ей час­тиц ме­нее 1%. На­но­жид­ко­сти пер­спек­тив­ны для ис­поль­зо­ва­ния в су­пер­ми­ниа­тюр­ных уст­рой­ст­вах. При­ме­не­ние на­но­жид­ко­стей ос­но­ва­но ли­бо на их вы­со­кой те­п­ло­про­вод­но­сти, ли­бо на су­пер­маг­нит­ных свой­ст­вах (на­но­ча­сти­цы ве­дут се­бя как па­ра­маг­нит­ные ато­мы с боль­шим маг­нит­ным мо­мен­том). Вы­со­кая те­п­ло­про­вод­ность (зо­лей $\ce{Al_2O_3, CuO, AlN, SiC, TiC, Cu, Ag}$ и др.) обес­пе­чи­ва­ет­ся за счёт по­верх­но­ст­но­го пе­ре­но­са те­п­ла. Ана­ло­гич­ные свой­ст­ва про­яв­ля­ют по­ли­мер­ные на­но­ча­сти­цы со струк­ту­рой, сфор­ми­ро­ван­ной из яд­ра и обо­лоч­ки. Маг­нит­ные на­но­жид­ко­сти об­ла­да­ют свой­ст­ва­ми фер­ро­маг­не­ти­ков и пер­спек­тив­ны в ка­че­ст­ве маг­нит­ных реф­ри­же­ра­то­ров, для хра­не­ния ин­фор­ма­ции, как сред­ст­ва дос­тав­ки ле­кар­ст­вен­ных ве­ществ и кон­тра­сти­рую­щих аген­тов.

Спо­со­бы по­лу­че­ния Н. к. с. мно­го­чис­лен­ны, и их вы­бор дик­ту­ет­ся при­ро­дой ве­ще­ст­ва, за­да­вае­мой фор­мой на­но­ча­стиц и др. При­ме­ня­ет­ся оса­ж­де­ние ато­мов из га­зо­вой фа­зы на под­лож­ках разл. при­ро­ды, хи­мич. ре­ак­ции (в т. ч. в двух­фаз­ных жид­ких сис­те­мах), мик­ро­эмуль­си­он­ный син­тез, элек­тро­рас­пы­ле­ние, элек­тро­спин­нинг, пре­дель­ное рас­тя­же­ние пла­стич­ных плё­нок до на­но­п­лё­нок, фо­то­ли­то­гра­фия с ис­поль­зо­ва­ни­ем тем­пла­тов, мно­го­крат­ное трав­ле­ние, элек­тро­хи­мич. вос­ста­нов­ле­ние, гид­ро­тер­маль­ный или соль­во­тер­маль­ный син­те­зы, а так­же син­тез на­но­ча­стиц с ис­поль­зо­ва­ни­ем бак­те­рий и гри­бов.

Н. к. с. пред­став­ля­ют ин­те­рес для мно­гих об­лас­тей нау­ки (фи­зи­ки, хи­мии, ма­те­риа­ло­ве­де­ния, фар­ма­ко­ло­гии, ме­ди­ци­ны и био­ло­гии). Та­кие сис­те­мы пер­спек­тив­ны для прак­тич. ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве ка­та­ли­за­то­ров, ди­аг­но­стич. средств, кон­тей­не­ров для дос­тав­ки ле­кар­ст­вен­ных ве­ществ, для соз­да­ния но­вых ма­те­риа­лов с осо­бы­ми фи­зич. и ме­ха­нич. свой­ст­ва­ми и др.