Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы

     Реакции оксидов. С участием наночастиц оксидов  металлов в последнее время осуществлен  ряд реакций, представляющих интерес для нанохимии. Высокая активность нанокристаллических оксидов металлов была реализована в реакциях с соединениями, используемыми в качестве химического оружия. Нанокристаллические оксиды магния и кальция легко взаимодействуют с фосфорорганическими соединениями (нервно-паралитические вещества) и полностью превращают токсичное соединение в нетоксичное. Нанокристаллические оксиды щелочно-земельных металлов успешно можно использовать для дезактивации иприта и других боевых отравляющих веществ.

     Наночастицы оксидов кобальта, никеля, меди и  железа с размером 1-5 нм являются перспективными материалами для изготовления электродов в литиевых батареях.

     Получены  и детально исследованы такие  новые нанокристаллические гибридные  материалы типа ядро-оболочка, как TiO2 и MoO3. В полученных материалах энергия фотопоглощения коррелирует с размером частиц. При уменьшении размера частиц TiO2 – MoO3 от 8 до 4 нм энергия поглощения уменьшалась от 2,9 эВ до 2,6 эВ. Полученные материалы более эффективны в фотокаталитическом окислении альдегидов по сравнению с обычно используемым оксидом титана производства фирмы Дегасса (Франция).

     Полупроводники  и сенсоры. Оптические преобразователи. Полупроводниковые наночастицы  широко используются в гетерогенном катализе, они также представляют интерес для лазерной техники, при изготовлении плоских дисплеев, светоиспускающих диодов и сенсоров. Огромным прорывом в нанотехнологии явилось создание гетероструктур с пространственным ограничением носителей заряда, возникающих в результате спонтанной самоорганизации наноструктур на поверхности полупроводниковых систем. Спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице. Особенно впечатляющи 43 размерные эффекты в полупроводниковых нанокристаллах, размер которых меньше боровского радиуса экситона. В таких нанокристаллах (квантовые точки) квантовое течение электронно-дырочной пары в ограниченном объеме приводит к увеличению ширины запрещенной зоны по мере уменьшения размера кластера. Это означает, что с уменьшением размера кластера рекомбинационная люминесценция сдвигается в голубую область (высокие энергии). Яркий пример – нанокристаллы CdSe, “одетые” одним-двумя монослоями ZnS. Кластеры золота (наностержни) при когерентном возбуждении электронного газа флуоресцируют с квантовым выходом в 106 раз выше, чем металлическое золото; при этом квантовый выход пропорционален l2 (l-длина наностержня).

     Нанотрубы. Интересно развивается химия  и физика нанотруб. Разработано множество  методов и технологий синтеза этих частиц – электродуговой разряд, лазерно-термическая абляция, синтез в пламени, пиролиз углеводородов. На сегодняшний день наилучшим является пироллитический метод синтеза нанотруб из СО, СН4, С2H6, С2Н2, на поверхности адсорбента с нанесенным катализатором.

     Уже разработаны методы непрерывного и  крупномасштабного производства нанотруб с контролируемой скоростью роста  и регулируемыми диаметром и  длиной.

     В создании управляемой архитектуры  нанотруб уже достигнуты значительные успехи. Для получения многослойных нанотруб заданной архитектуры была использована подложка из пористого кремния с субмикронными порами, обработанного электрохимически в растворе HF – MeOH.

     Наноконтакты  – наиболее слабое место в нанотехнологиях. На уровне сегодняшнего опыта видны два пути к формированию архитектуры наноконтактов: через механизмы выращивания нанотруб и через манипулирования трубами.

     Большой интерес представляет заполнение нанотруб металлами с целью получения  металлических проводников –  нанопроволок, покрытых углеродной “одеждой”. При этом нанотруба не просто формирует нанопроволоку, но и предохраняет ее от окисления и разрушающего действия других агрессивных сред.

     Ясно, что такие нанообъекты с позиций  высоких технологий являются предметом  особого внимания. Недавно был получен новый тип нанопроволоки – нанокабель, в котором внутренний проводник – железный стержень толщиной около 10 нм и длиной порядка микрона – “одет” боронитридной трубой диаметром около 50 нм.

     Замечательная особенность этих нанокабелей состоит в том, что между BN-оболочкой и железным стержнем имеется углеродная прослойка, которая сохраняет железо в восстановленном состоянии и обеспечивает прочное соединение металла с керамической оболочкой.

     Пожалуй, наиболее широкое применение нанотрубы нашли в качестве полевых эмиттеров, а также как молекулярный диод. Весьма интересны 44 сверхпроводимость нанотруб и их использование в криоэлектронике. Принимая во внимание миниатюрность электронных наноустройств и необременительность расходов на их охлаждение, можно считать, что сверхпроводимость нанотруб, наноконтактов, нанопроволок, даже если она появляется при очень низких температурах, может быть практически освоена в наноэлектронике.

     Нет сомнений в том, что в будущем  нанохимия будет иметь большое  значение в создании металлических, полупроводниковых, ферромагнитных нанопроволок, нанопоршней, наношприцев, нанонасосов (например, для клеточной биологии), наноконденсаторов с переменной емкостью, нанопинцетов и других устройств.

     Таким образом, нанохимия имеет значимые перспективы, многие из них уже реализуются, другие ожидают своей очереди. И хотя делать прогнозы это все равно, что при рождении человека написать ему мемуары, а потом заставить жить его по ним, можно смело утверждать, что нанохимия и нанотехнология займут в будущем такое же место, как и химия живого.