НАНОХИ́МИЯ

НАНОХИ́МИЯ, изу­ча­ет свой­ст­ва, строе­ние, ре­ак­ци­он­ную спо­соб­ность, пу­ти по­лу­че­ния (в т. ч. са­мо­ор­га­ни­за­цию), мо­ди­фи­ка­ции и прак­тич. ис­поль­зо­ва­ния на­но­ча­стиц ве­ще­ст­ва, сфор­ми­ро­ван­ных из та­ких час­тиц ан­самб­лей, а так­же на­но­ма­те­риа­лов; часть на­но­нау­ки. Тер­мин «Н.» поя­вил­ся в кон. 1990-х гг.; ус­ко­рен­ное раз­ви­тие Н. в нач. 21 в. свя­за­но с за­про­са­ми на­но­тех­но­ло­гий. Объ­ек­та­ми ис­сле­до­ва­ния Н., как пра­ви­ло, слу­жат: час­ти­цы или про­тя­жён­ные структу­ры, хо­тя бы од­но из­ме­ре­ние ко­то­рых не пре­вы­ша­ет 100 нм (в т. ч. атом­ные, ион­ные, мо­ле­ку­ляр­ные и фрак­таль­ные кла­сте­ры, фул­ле­ре­ны, кван­то­вые точ­ки, на­нот­руб­ки, на­но­во­лок­на, на­но­ка­пил­ля­ры, на­но­п­лён­ки, на­нос­лои и др.); ве­ще­ст­ва, со­дер­жа­щие час­ти­цы та­ких раз­ме­ров (напр., на­но­дис­перс­ные кол­ло­ид­ные сис­те­мы, на­но­ком­по­зи­ты); на­но­по­ри­стые те­ла (мем­бра­ны). И верх­няя, и ниж­няя гра­ни­цы раз­ме­ров этих объ­ек­тов ус­лов­ны: в ка­че­ст­ве ниж­ней гра­ни­цы мож­но рас­смат­ри­вать отд. ато­мы, верх­ней – та­кое ко­ли­че­ст­во ато­мов в объ­ек­те, даль­ней­шее уве­ли­че­ние ко­то­ро­го при­во­дит к по­те­ре спе­ци­фич. свойств на­но­ча­стиц.

Н. тес­но свя­за­на с др. нау­ка­ми (в т. ч. с хи­ми­ей, био­ло­ги­ей, фи­зи­кой, ма­те­риа­ло­ве­де­ни­ем), а так­же со мно­ги­ми об­лас­тя­ми тех­ни­ки (про­из-вом по­лу­про­вод­ни­ко­вых, сверх­про­во­дя­щих, оп­ти­че­ских и маг­нит­ных уст­ройств, ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов, кра­си­те­лей и др.). Бу­ду­чи срав­ни­тель­но но­вой об­ла­стью, Н. по­ка не име­ет еди­ной, окон­ча­тель­но сфор­ми­ро­вав­шей­ся, собств. тер­ми­но­ло­гии. Ис­поль­зо­ва­ние мн. оп­ре­де­ле­ний хи­мии при пе­ре­хо­де к на­но­объ­ек­там ста­но­вит­ся ус­лов­ным (напр., для на­но­ча­стиц ме­тал­лов раз­ме­ром 1–3 нм труд­но раз­ли­чать аморф­ное и кри­стал­ли­че­ское, го­мо­ген­ное и ге­те­ро­ген­ное со­стоя­ние). Ус­лов­ным яв­ля­ет­ся так­же вы­де­ле­ние отд. на­прав­ле­ний в Н., по­доб­но то­му, как в хи­мии вы­де­ле­ны ор­га­нич., не­ор­га­нич. хи­мия, био­хи­мия и др. раз­де­лы. В Н., в ча­ст­но­сти, ис­сле­ду­ют­ся взаи­мо­дей­ст­вия не­ор­га­нич. ве­ществ с био­ло­гич. струк­ту­ра­ми, а при по­строе­нии на­но­ст­рук­тур реа­ли­зу­ют­ся прин­ци­пы са­мо­ор­га­ни­за­ции с ком­пле­мен­тар­ны­ми взаи­мо­дей­ствия­ми, ти­пич­ны­ми для био­хи­мич. пре­вра­ще­ний. Ус­та­нов­ле­ние осо­бен­но­стей са­мо­ас­со­циа­ции и са­мо­ор­га­ни­за­ции не­боль­ших час­тиц в бо­лее круп­ные ан­самб­ли (са­мо­сбор­ка) яв­ля­ет­ся важ­ным для ре­ше­ния про­бле­мы соз­да­ния ма­те­риа­лов с не­обыч­ны­ми свой­ст­ва­ми.

В до­пол­не­ние к тем за­да­чам, ко­то­рые ре­ша­ет клас­сич. хи­мия: ус­та­нов­ле­нию за­ко­но­мер­но­сти взаи­мо­свя­зей «со­став – фи­зич. и хи­мич. свой­ст­ва – струк­ту­ра – функ­цио­наль­ные свой­ст­ва», пред­ме­том Н. яв­ля­ет­ся так­же ис­сле­до­ва­ние влия­ния раз­ме­ра час­тиц ве­ще­ст­ва на весь ком­плекс свойств и осо­бен­но­сти фор­ми­ро­ва­ния на­но­раз­мер­ных струк­тур. Из-за кван­то­вых раз­мер­ных эф­фек­тов и боль­шой пло­ща­ди по­верх­но­сти на­но­ча­сти­цы мо­гут про­яв­лять свой­ст­ва, ко­то­рые нель­зя опи­сать на ос­но­ве за­ко­но­мер­но­стей, из­вест­ных для мак­ро­сис­тем. При пе­ре­хо­де ве­ществ из ком­пакт­но­го в на­но­со­стоя­ние мо­гут из­ме­нять­ся на­прав­ле­ния, ме­ха­низ­мы и ско­ро­сти хи­мич. пре­вра­ще­ний с их уча­сти­ем; напр., в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле темп-р мо­гут осу­ще­ст­в­лять­ся ре­ак­ции, не­на­блю­дае­мые для мак­ро­ско­пич. ко­личеств ве­ще­ст­ва. От раз­ме­ра за­ви­сят энер­гия свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми в час­ти­це и в их ан­самб­ле, кри­стал­ло­гра­фич. струк­ту­ра, темп-ра плав­ле­ния, по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции, по­яв­ле­ние уни­каль­ных оп­тич., элек­трон­ных, маг­нит­ных, ме­тал­лич. и др. свойств час­тиц и ма­те­риа­лов.

Од­ной из осн. за­дач Н. яв­ля­ет­ся син­тез на­но­ст­рук­тур с за­ра­нее за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми, а так­же мо­ди­фи­ка­ция отд. на­но­ча­стиц. По прин­ци­пу сбор­ки ме­то­ды син­те­за на­но­ча­стиц ус­лов­но под­раз­де­ля­ют на под­ход свер­ху вниз и под­ход сни­зу вверх. Под­ход свер­ху вниз ос­но­ван на дис­пер­ги­ро­ва­нии разл. ме­то­да­ми круп­ных аг­ре­га­тов, под­ход сни­зу вверх – на по­строе­нии из отд. ато­мов (мо­ле­кул) бо­лее слож­ных струк­тур – кла­сте­ров, на­но­ча­стиц, ан­самб­лей и со­еди­не­ний с не­об­хо­ди­мы­ми фи­зи­ко-хи­мич. свой­ст­ва­ми. В пер­вом слу­чае по­лу­чен­ные на­но­ча­сти­цы со­хра­ня­ют кри­стал­лич. струк­ту­ру ис­ход­но­го ве­ще­ст­ва; во вто­ром – свой­ст­ва по­лу­чен­ных на­но­ча­стиц оп­ре­де­ля­ют­ся не толь­ко при­ро­дой и ко­ли­че­ст­вом ис­ход­ных ато­мов (мо­ле­кул), но и их вза­им­ным рас­по­ло­же­ни­ем, что по­зво­ля­ет варь­и­ро­вать свой­ст­ва на­но­ча­стиц в за­ви­си­мо­сти не толь­ко от чис­ла, но и от вза­им­но­го рас­по­ло­же­ния ато­мов.

Вы­со­кая хи­мич. ак­тив­ность кла­сте­ров и на­но­ча­стиц, свя­зан­ная с на­ли­чи­ем боль­шой по­верх­но­сти и со зна­чит. не­ском­пен­си­ро­ван­но­стью по­верх­но­ст­ных сил, обу­слов­ли­ва­ет вы­со­кую ре­акц. спо­соб­ность и ка­та­ли­тич. ак­тив­ность на­но­объ­ек­тов (в т. ч. осу­ще­ст­в­ле­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­воз­мож­ных для мак­ро­ско­пич. ко­ли­честв ве­ще­ст­ва ре­ак­ций, напр. по­лу­че­ние в од­ну ста­дию би­са­ре­но­вых ком­плек­сов хро­ма, ти­та­на и др. ме­тал­лов; ка­та­ли­тич. ак­тив­ность хи­ми­че­ски инерт­ных в обыч­ных ус­ло­ви­ях ме­тал­лов, напр. зо­ло­та в ви­де кла­сте­ров раз­ме­ром 3–4 нм). Од­на­ко сле­ду­ет учи­ты­вать, что имен­но эти свой­ст­ва мо­гут пред­став­лять уг­ро­зу для ок­ру­жаю­щей сре­ды и че­ло­ве­ка. Напр., на­но­ча­сти­цы не­ко­то­рых ме­тал­лов пи­ро­фор­ны и са­мо­про­из­воль­но воз­го­ра­ют­ся на воз­ду­хе при ком­нат­ной темп-ре. Др. опас­ность свя­за­на с ток­сич­но­стью на­но­раз­мер­ных объ­ек­тов: в отд. слу­ча­ях их вред­ное воз­дей­ст­вие ус­та­нов­ле­но и, по­сколь­ку не на­ко­п­ле­но дос­та­точ­но­го ко­ли­че­ст­ва на­дёж­ных дан­ных, сле­ду­ет учи­ты­вать рис­ки при по­лу­че­нии и при­ме­не­нии на­но­ча­стиц, ис­поль­зо­ва­нии на­но­тех­но­ло­гий.

Как пра­ви­ло, на­но­ст­рук­ту­ры про­яв­ля­ют свои уни­каль­ные свой­ст­ва в не­рав­но­вес­ном ме­та­ста­биль­ном со­стоя­нии, и ме­то­ды их по­лу­че­ния ос­но­ва­ны на ис­поль­зо­ва­нии энер­гии внеш­не­го ис­точ­ни­ка (о фи­зич., хи­мич., био­ло­гич. и ком­би­ни­ро­ван­ных спо­со­бах по­лу­че­ния на­но­ча­стиц см. так­же в ст. На­но­ма­те­риа­лы). Вы­со­кая хи­мич. ак­тив­ность на­но­ча­стиц обу­слов­ли­ва­ет не­об­хо­ди­мость со­вме­щать про­цес­сы син­те­за с про­цес­са­ми ста­би­ли­за­ции. При­ме­ром мо­жет слу­жить один из осн. спо­со­бов по­лу­че­ния на­но­ча­стиц ме­тал­лов пу­тём ис­па­ре­ния и кон­ден­са­ции. При ис­па­ре­нии при­ме­ня­ют вы­со­кие (бо­лее 500 °C) темп-ры, элек­тронно-лу­че­вое, плаз­мен­ное, ла­зер­ное ис­па­ре­ние, взрыв­ное на­гре­ва­ние про­во­ло­ки элек­тро­то­ком, го­ре­ние. Ато­мы ме­тал­лов и ма­лые кла­сте­ры пре­тер­пе­ва­ют нук­леа­цию, рост и об­ра­зо­ва­ние на­но­ча­стиц, са­мо­про­из­воль­ную са­мо­ор­га­ни­за­цию. Вве­де­ние ста­би­ли­за­то­ров, напр. тио­лов, и кон­ден­са­ция при раз­лич­ных, в ча­ст­но­сти низ­ких, темп-рах по­зво­ля­ют по­лу­чать нуль­мер­ные (кван­то­вые точ­ки), од­но­мер­ные (ни­ти), дву­мер­ные (плён­ки) и трёх­мер­ные объ­ём­ные на­но­ма­те­риа­лы. Масс-спек­тро­мет­рич. се­па­ри­ро­ва­ние по­зво­ля­ет по­лу­чать и ис­сле­до­вать в ва­куу­ме не­ста­би­ли­зи­ров. на­но­ча­сти­цы. Син­те­зи­руе­мые на­но­ча­сти­цы ме­тал­лов мо­гут раз­ли­чать­ся не толь­ко по со­ста­ву, но и по фор­ме. Кро­ме сфе­рич. час­тиц по­лу­че­ны час­ти­цы стерж­не­об­раз­ной, тре­уголь­ной, пи­ра­ми­даль­ной, приз­ма­ти­че­ской, ку­би­че­ской и др. форм; соз­да­ны ци­лин­д­рич. труб­ки, лен­ты, поя­са, час­ти­цы в фор­ме «мат­рё­шек», би­ме­тал­лич. и три­ме­тал­лич. час­ти­цы, час­ти­цы ти­па «яд­ро – обо­лоч­ка»; по­лу­че­ны спла­вы ме­тал­лов, ко­то­рые на мак­ро­уров­не об­ра­зу­ют ге­те­ро­ген­ные сме­си.

За­да­чи Н. ре­ша­ют­ся с при­вле­че­ни­ем сверх­чув­ст­вит. спек­траль­ных ме­то­дов, по­зво­ляю­щих су­дить о хи­мич. со­ста­ве и струк­ту­ре час­тиц, вклю­чаю­щих де­сят­ки и сот­ни ато­мов. Для оп­ре­де­ле­ния раз­ме­ра и фор­мы на­но­ча­стиц ис­поль­зу­ют разл. ва­ри­ан­ты мик­ро­ско­пии (про­све­чи­ваю­щая элек­трон­ная мик­ро­ско­пия обыч­но­го и вы­со­ко­го, до 1 нм, раз­ре­шения, ска­ни­рую­щая рас­тро­вая элек­трон­ная мик­ро­ско­пия и разл. ва­ри­ан­ты зон­до­вой, тун­нель­ной, атом­но-си­ло­вой мик­ро­ско­пии). Для ана­ли­за свойств на­но­ча­стиц ме­тал­лов и их ок­си­дов при­ме­ня­ют рент­ге­нов­скую ди­фрак­цию, ма­ло­уг­ло­вое рас­сея­ние рент­ге­нов­ских лу­чей, син­хро­трон­ное из­лу­че­ние, фо­то­элек­трон­ную, УФ- и ИК-спек­тро­ско­пию, ва­ри­ан­ты лю­ми­нес­цент­ных ме­то­дов. Не­ко­то­рые из пе­ре­чис­лен­ных ме­то­дов по­зво­ля­ют не толь­ко изу­чать на­но­ча­сти­цы, но и осу­ще­ст­в­лять сбор­ку из них разл. мо­ле­ку­ляр­ных уст­ройств.

Од­на из при­ори­тет­ных за­дач Н. – изу­че­ние хи­мич. свойств и ре­акц. спо­соб­но­сти кла­сте­ров разл. ме­тал­лов как функ­ции их раз­ме­ра и чис­ла об­ра­зую­щих кла­стер ато­мов. Для час­тиц из 1–60 ато­мов ме­тал­ла при взаи­мо­дей­ст­вии с др. мо­ле­ку­ла­ми (напр., $\ce {N_2, H2, CO2, CO,H_2O}$) не на­блю­да­ет­ся ре­гу­ляр­ных за­ви­си­мо­стей из­ме­не­ния хи­мич. ак­тив­но­сти с уве­ли­че­ни­ем ко­ли­че­ст­ва ато­мов ме­тал­ла. В слу­чае кла­сте­ров нио­бия, напр., кон­стан­та ско­ро­сти ре­ак­ции с $\ce{N_2}$ из­ме­ня­ет­ся на че­ты­ре по­ряд­ка при из­ме­не­нии раз­ме­ра кла­сте­ра на один атом, кон­стан­та ско­ро­сти ре­ак­ции с $\ce{N_2}$ и дей­те­ри­ем уве­ли­чи­ва­ет­ся с по­ни­же­ни­ем темп-ры, ак­тив­ность кла­сте­ров не за­ви­сит от то­го, яв­ля­ют­ся ли они ней­траль­ны­ми, от­ри­ца­тель­ны­ми или по­ло­жи­тель­ны­ми сис­те­ма­ми. Мо­жет из­ме­нять­ся и ме­ха­низм ре­ак­ции: кла­сте­ры нио­бия, со­дер­жа­щие бо­лее 7 ато­мов, при взаи­мо­дей­ст­вии с $\ce{CO_2}$ вне­дря­ют­ся по свя­зи $\ce{C─O}$, а кла­сте­ры с мень­шим чис­лом ато­мов об­ра­зу­ют ок­сид уг­ле­ро­да и ок­сид нио­бия. От­сут­ст­вие ре­гу­ляр­ных за­ви­си­мо­стей ак­тив­но­сти ус­та­нов­ле­но для кла­сте­ров $\ce {Fe, Co, Cu, W, V, Pd}$ и др. ме­тал­лов. Для $\ce{Fe}$, напр. в ре­ак­ци­ях с $\ce{H_2, O_2, H_2O}$, час­ти­цы, со­дер­жа­щие ме­нее 6 ато­мов, не­ак­тив­ны, а с уве­ли­че­ни­ем ко­ли­че­ст­ва ато­мов в кла­сте­ре ак­тив­ность час­тиц $\ce{Fe}$ уве­ли­чи­ва­ет­ся. В ре­ак­ци­ях с га­ло­ген­про­из­вод­ны­ми уг­ле­во­до­ро­дов ак­тив­ны ди­ме­ры и три­ме­ры $\ce{Mg}$ (напр., ди­мер $\ce{Mg_2}$ всту­па­ет в ре­ак­цию с $\ce{CCl_4}$ при ге­лие­вых темп-рах, а при 77 К вне­дря­ет­ся по свя­зи $\ce{C─Cl}$, об­ра­зуя маг­ний­ор­га­нич. со­еди­не­ния).

Осо­бое ме­сто в Н. за­ни­ма­ют на­но­струк­ту­ры уг­ле­ро­да – фул­ле­ре­ны и на­нот­руб­ки, не­обыч­ные хи­мич., ме­ха­нич. и элек­трон­ные свой­ст­ва ко­то­рых уже на­шли прак­тич. при­ме­не­ние (в ка­че­ст­ве про­во­дя­щих и сен­сор­ных ма­те­риа­лов, при из­го­тов­ле­нии зон­дов в тун­нель­ной и атом­но-си­ло­вой мик­ро­ско­пии и пр.). Ак­тив­но ис­сле­ду­ют­ся ор­га­нич. на­но­ча­сти­цы – на­прав­ле­ние пер­спек­тив­но для мо­ди­фи­ка­ции ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов, по­лу­че­ния ор­га­нич. час­тиц, рас­тво­ри­мых в во­де. На­но­ча­сти­цы $\ce{Pt, Pd, Rh, Au}$ и др. ме­тал­лов при­ме­ня­ют­ся в ка­та­ли­зе (гид­ри­ро­ва­ние, де­гид­ри­ро­ва­ние, окис­ле­ние с вы­со­ким вы­хо­дом осн. про­дук­та); на­но­ча­сти­цы $\ce{Ag}$ – в ме­ди­ци­не (про­из-во эф­фек­тив­ных обез­за­ра­жи­ваю­щих ма­те­риа­лов); на ос­но­ве $\ce{W–Co–C}$ по­лу­че­ны сверх­твёр­дые на­но­по­кры­тия для ре­жу­щих ин­ст­ру­мен­тов; из ок­си­дов ме­тал­лов – сверх­твёр­дые и вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные ке­ра­ми­ки. Ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти Н. обес­пе­чи­ва­ют соз­да­ние вы­со­ко­чув­ст­вит. хи­мич. сен­со­ров для ана­ли­за ок­ру­жаю­щей сре­ды (об­на­ру­же­ния ток­си­че­ских и взрыв­ча­тых ве­ществ, бак­те­рий си­бир­ской яз­вы и пр.), из­го­тов­ле­ние разл. за­щит­ной оде­ж­ды, са­мо­очи­щаю­щих­ся окон­ных и ав­то­мо­биль­ных стё­кол. На­но­ча­сти­цы ок­си­дов $\ce{Mg}$ и $\ce{Ca}$ в ви­де аэ­ро­зо­лей ис­поль­зу­ют для унич­то­же­ния бак­те­рий и ток­си­нов, для де­га­за­ции ($\ce{Cl2, NH3, SO2, NO2}$ и от­рав­ляю­щих фос­фо­рор­га­нич. со­еди­не­ний). Ус­ко­рен­ны­ми тем­па­ми осу­ще­ст­в­ля­ет­ся раз­ви­тие Н. как важ­ней­шей со­став­ляю­щей раз­ных на­прав­ле­ний на­но­тех­но­ло­гии.