Презентация по химии на тему Нанотехнологии

Министерство образования и науки Республики Казахстан
Филиал акционерного общества «Национальный центр повышения квалификации «Өрлеу»
Институт повышения квалификации педагогических работников по Актюбинской области
ПРОЕКТ
«НАНОТЕХНОЛОГИИ (В ХИМИИ, НЕФТЕХИМИИ И ЭКОЛОГИИ). НАНОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»
Выполнил: учитель химии
ЧУ НОУ УК «ШАНЫРАК» Ахметова Л.Г.
2014-2015 учебный год
г. Актобе
Содержание:
страницы
Цель проекта. Введение --------------------------------1
Краткая история развития нанотехнологии ----------2
Химические элементы, применяемые в нанотехнологиях ------------------------------------------3
Способы получения наночастиц ---------------------- 3
Наноматериалы, их классификация -------------------3
Понятие о нанохимии. Наноматериалы: фуллерен и углеродные нанотрубки -----------------------------------4-7
Нанотехнологии в нефтехимии и экологии --------8
Заключение --------------------------------------------------9
Литература -------------------------- ------------------------10


Цель проекта.
Целью данного проекта является: дать понятие учащимся средней общеобразовательной школы о нанотехнологиях, наночастицах, способах получения наночастиц, рассмотреть основные области применения нанотехнологий и наноматериалов в химии, нефтехимии, экологии.
Введение:
Последние 20 лет ознаменовались бурным развитием нового направления в науке и технике – нанотехнологии. Предметом изучения и применения в этой области явились наноразмерные объекты, размер которых составляет 0,1-100нм. (1нм=10-9м, одна миллиардная часть метра): атомы, молекулы, их ассоциаты, наночастицы, наноматериалы, наноприборы, наноустройства. Префикс «нано» является заимствованным из греческого языка, где «nanos» означает «карлик». Нанотехнология-это междисциплинарное направление, находится на стыке наук. Это объясняется тем, что получение и исследование столь малых объектов возможно лишь при объединении достижений и методов различных научных дисциплин и используются во многих науках и сферах деятельности людей: в химии, механике, физике, медицине, машиностроении, материаловедении, электронике, оптике и т.д. Возникают новые научные отрасли, такие как супрамолекулярная химия, нанохимия, нанобиология, наномедицина, наноэлектроника и т.д. Лидирующее положение в развитии нанотехнологии принадлежит США, Англии, Германии, Японии.


1.
1.Краткая история развития нанотехнологии:
Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен 1нм. В 1939 году немецкие физики Э.Руска и М. Кноль создали электронный микроскоп, прообраз нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов.
Мысль о том, что человечество может создавать объекты, собирая их «атом за атомом» восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» одного из крупнейших физиков XX века, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Ричард Фейнманн говорил, что в будущем , научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно, т.е. использовать атомы как обыкновенный строительный материал.
Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые предложил японский физик Н. Танигучи из Токийского университета в 1974г.
Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы, в результате исследований Э. Дрекслера, работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты из подручных молекул. Сначала эти высказывания воспринимались как научная фантастика.
Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. В 1981 году немецкие физики К.Биннинг и Э.Руска, а так же швейцарец Г. Рорер из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. С помощью такого микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, т.е манипулировать атомами и собирать из них любое вещество.( narfu.ru/university/library/books/0706.pdf‎)

2
2. Химические элементы, применяемые в нанотехнологиях.
Многие важные наноструктуры изготавливаются из элементов IV группы –Si, C, Ge, полупроводниковых соединений, состоящих из элементов III и V групп, например Ga-As, или II, VI групп, например Cd-S(римские цифры относятся к столбцам Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, называемых группами).
3. Способы получения наночастиц:
Для получения наночастиц используются химические синтезы и специальные методы. К химическому синтезу относят 1)метод «золь-гель», 2)криохимический метод,3) метод термическогоразложения4)восстановление металлов, 5)электрокоррозионный метод, 6)высокотемпературный синтез и другие.
К специальным методам относят: 1) получение наночастиц в плазме электрической дуги, 2) получение наночастиц при облучении лазером, 3) ударно-волновой синтез,4) механический с использованием высокоэффективных шаровых мельниц.
Все методы синтеза наночастиц делят на 2 большие группы :
Диспергационные методы-это метод получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца.(«подход сверху-вниз»)
Конденсационные методы-это методы «выращивания» наночастиц из отдельных атомов.(«подход снизу-вверх»).
При любом методе получения наночастиц необходимо решать проблему их сохранения (стабилизации) во избежание самопроизвольного укрупнения. Это достигается применением тех или иных химических стабилизаторов. narfu.ru/university/library/books/0706.pdf‎
4. Наноматериалы, их классификация:
Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале.
Согласно 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие типы наноматериалов:
1)нанопористые структуры
2)наночастицы
3)нанотрубки и нановолокна
4)нанодисперсии (коллоиды)
5)наноструктурированные поверхности и пленки
6)нанокристаллы и нанокластеры. 3
Наноматериалы делят по назначению на:
1)Функциональные
2)Композиционные
3)Конструкционные.
По количеству измерений:
1)нульмерные/ квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы);
2)одномерные/ квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки);
3)двумерные/квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов);
4)трехмерные/квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры) (https://ru.wikipedia.org/wiki/Наноматериал‎)
5. Понятие о нанохимии. Наноматериалы: фуллерен и углеродные нанотрубки.
Нанохимия- область науки, связанная с получением и изучением физико-химических свойств частиц, имеющих размеры в несколько нанометров, обладающих высокой реакционной способностью в широком интервале температур. Исследования в области нанохимии открывают возможности синтеза новых веществ и наноматериалов.(Сергеев Г.Б. Нанохимия:учебное пособие, 2-е изд. М. КДУ; 2007)
Основными наноматериалами в нанохимии являются фуллерен и углеродные нанотрубки.
В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика Г.Крото, американских химиков Р.Керла, Д.Хита и Ш.О, Брайена под руководством Р. Смолли получили новый класс соединений: фуллерены. В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С60. Грани 60-атомного фуллерена –это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников.
Применение фуллеренов:
Молекулярные кристаллы фуллеренов — полупроводники, однако в начале 1991 года было установлено, что легирование твёрдого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С60 производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X3С60 (Х — атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий. Переход соединения4
К3С60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х3С60, либо XY2С60 (X,Y — атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs2С60 — его Ткр=33 К
Следует отметить, что присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полимерной пленки толщиной — 100 нм. Образованная пленка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400—500 °C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза.
Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %.
Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. Так, в 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств.
Различные производные фуллеренов показали себя эффективными средствами в лечении вируса иммунодефицита человека: белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки — ВИЧ-1-протеаза, — имеет сферическую полость диаметром 10 Ǻ, форма которой остается постоянной при всех мутациях. Такой размер почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена. Синтезировано производное фуллерена, которое растворимо в воде. Оно блокирует активный центр ВИЧ-протеазы, без которой невозможно образование новой вирусной частицы.
Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. 5
Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.( https://ru.wikipedia.org/wiki/Фуллерен)
В 1991 году японский исследователь С.Иинджима из компании NEC открыл углеродные нанотрубки. Получение углеродных нанотрубок: если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные углеродные нанотрубки с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм.
Для нанотрубок возможно разнообразие форм: нанотрубки могли быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются! Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками!
Возможные применения нанотрубок
-Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
-Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
-Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
-Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
-Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
-Медицина (в стадии активной разработки).
-Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических областях. 6
-Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр.
-Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.
-Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой.
-Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа. Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.
Получение углеродных нанотрубок: если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные углеродные нанотрубки с диаметром 15-20 нм и длиной 1 мкм.( https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки)
6. Создание наноразмерных частиц различных металлов:
Создание и использование наноразмерных частиц различных металлов –одна из быстро развивающихся областей современной нанотехнологии. Наноматериал на основе металла-наносеребро. Повышенный интерес к серебру возник в связи с выявленным его действием в организме как микроэлемента, необходимого для нормального функционального органов и систем, иммунокорригирующими, а также мощными антибактериальными и противовирусными свойствами. Эффективность бактерицидного действия коллоидного серебра объясняется способностью подавлять работу фермента, с помощью которого обеспечивается кислородный обмен у простейших организмов. Поэтому чужеродные простейшие микроогранизмы гибнут в присутствии ионов серебра из-за нарушения снабжения кислородом, необходимого для их жизнедеятельности. Серебро- самый сильный естественный антибиотик. Коллоидное серебро –продукт, состоящий из микроскопических наночастиц серебра, взвешенных в деминерализованной воде. Этот продукт производится при помощи нанотехнологии электролитическим способом.( narfu.ru/university/library/books/0706.pdf‎)
7
7. Нанотехнологии в нефтехимии и экологии.
Рост темпов добычи нефти наносит непоправимый ущерб экологии. Аварии нефтяных танкеров, содержимое которых покрывает токсичной пленкой огромные площади в Мировом океане, несут катастрофическую опасность для всех биологических видов, обитающих в районе загрязнений. Ученые в области нанотехнологии изобретают средства борьбы с уже разлившейся нефтью. Создано особое «нанополотенце», эффективно очищающее воду от нефти и других углеводородных загрязнений. Оно состоит из специальных нановолокон, абсорбирующих количество нефти, в 20 раз превышающее собственный вес. Нановолокна состоят из множества мельчайших пор, которые по своей структуре напоминают капилляры, что позволяют им впитывать и удерживать жидкость. Водоотталкивающее покрытие не дает воде проникнуть через мембрану, но пропускает гидрофобные маслянистые жидкости, такие как нефть. При этом технология производства «нанополотенец» достаточно проста. Суспензия из нановолокон высушивается, прессуется и получается тонкое бумажное полотенце. Данный материал может находиться в воде месяц или два и оставаться при этом сухим. Если в воду попадут загрязняющие вещества, они адсорбируются. Если покрыть таким полотенцем зоны в районе нефтяных вышек, экологическая безопасность обеспечивается. (narfu.ru/university/library/books/0706.pdf‎)


8
Заключение:
Нанотехнология — ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии — создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
Это «самые высокие технологии», на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения.
9

Литература:
1.Сергеев Г.Б. Нанохимия: учебное пособие-2-е изд. М. КДУ; 2007.
2.Владислав Фельдблюм «Нано» на стыке наук: нанообъекты, нанотехнологии, нанобудущее(электронное междисциплинарное издание) Ярославль 2013г.
3. narfu.ru/university/library/books/0706.pdf‎)
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Наноматериал‎)
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фуллерен

10