ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Каменек Л.К., Брынских Г.Т., Иванова Л.А., Михеева Л.А., Каменек В.М., Келасьева Н.В., Каменек Д.В., Пантелеев С.В., Шроль О.Ю., Ахметов М.А. ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ХИМИИ для учащихся классов Ульяновск, 2008

Рецензенты: доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАЕН Розанцев Эдуард Григорьевич; доктор химических наук, профессор, член-корреспондент АН РТ, заслуженный деятель науки Латыпова Венера Зинатовна; доктор геолого-минералогических наук, профессор Сергеев Валерий Иванович

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Глава 1 ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ И ПОНЯТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ. НАНОХИМИЯ. 1.1 Основные понятия нанотехнологии. 1.2 Нанохимия как наука 1.3 Перспективы развития нанонауки и нанотехнологии Глава 2 ОБЪЕКТЫ НАНОХИМИИ И УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ 2.1 Объекты нанохимии 2.2 Классификация объектов нанохимии 2.3 Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц Глава 3 ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ НАНОЧАСТИЦ 3.1 Химическая связь 3.2 Квантово-размерные эффекты наночастиц Глава 4 ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ 4.1 Методы получения наночастиц 4.2 Методы получения наночастиц металлов Глава 5 НАНОМАТЕРИАЛЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 5.1 Наноматериалы и факторы, определяющие их уникальные свойства 5.2 Нанопорошки 5.3 Нанопористый углерод 5.4 Полимерные нанокомпозиты 5.5 Умные наноматериалы Глава 6 ОСОБАЯ РОЛЬ УГЛЕРОДА В НАНОМИРЕ 6.1 Фуллерены 6.2 Углеродные нанотрубки 6.3 Графен 6.4 Получение углеродных наноструктур Глава 7 МЕДИЦИНСКАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НАНОХИМИЯ 7.1 Диагностика 7.2 Терапия 7.3 Нанохимические технологии и охрана окружающей среды Глава 8 НАНОТЕХНОЛОГИИ В БОРЬБЕ С ОНКОЛОГИЧЕСКИМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ 8.1 Создание наночастиц в биологических тканях 8.2 Однослойные углеродные нанотрубки с адсорбированными антителами 8.3 Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии и наносферы для комбинированной терапии рака и обнаружения опухолей 8.4 Лечение рака груди с помощью комбинации люлиберина, цитотоксического белка и наночастиц оксида железа 8.5 Опухоль-ориентированные системы доставки 8.6 Лечение раковых метастаз 8.7 Фуллерерновые наношарики в терапии рака Глава 9 НАНОХИМИЯ И ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ 9.1 Генная инженерия 9.2 Методы введения биоматериалов в живые клетки 9.3 Моделирование наноструктур с использованием молекул нуклеиновых кислот Глава 10 НАНОБИОТЕХНОЛОГИЯ 10.1 Направление развития нанобиотехнологии 10.2 Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул ЗАКЛЮЧЕНИЕ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1 ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ И ПОНЯТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ. НАНОХИМИЯ

НАНОТЕХНОЛОГИИ это создание, характеризация, произ- водство и приложение структур, устройств и систем, размеры и формы которых контролируются в нано- метровом масштабе

Рис. 1. Шкала размеров объектов наномира

НАНОСИСТЕМЫ взвесь наночастиц размером не более 100 нм в некоторой среде Рис. 2. Кластеры воды: а) жидкое состояние; б) замерзающее состояние а) б)

НАНОЧАСТИЦЫ это частицы, размеры которых не превышают 100 нм и состоят из 10 6 или меньшего количества атомов Рис. 3. Нанокристаллы селенида кадмияРис. 4. Наночастица кремния

НАНОХИМИЯ это наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации.

Конференция «Commercializations of NanoMaterials 2006» (Питсбург, сентябрь 2006 г.) выделила следующие коммерчески перспективные направления: материалы для жестких дисков компьютеров и принтеров; недорогие сенсоры для определения следовых концентраций летучих органических соединений в воздухе; материалы для ИК-детекторов; катализаторы очистки отходящих газов; материалы, устойчивые к коррозии; материалы для использования в аэронавтике и космонавтике; материалы для медицины и биомедицины; керамика и коллоидные металлы; материалы для создания новых видов вооружения; катализаторы нового поколения для химии и нефтехимии (новые виды топлива); композиты; нанооптика и материалы для чипов; исследования морфологии наночастиц; материалы для энергетики; нанопористые материалы Перспективные направления развития нанотехнологий

ПРОБЛЕМЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием металлов на порядок меньше, чем в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы. Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды. Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.

Глава 2 ОБЪЕКТЫ НАНОХИМИИ И УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ

Объекты нанохимии ультрадисперсные вещества, полученные конденсацией паров и осаждением из растворов; аэрозоли и коллоидные растворы, природные вещества, состоящие из многоатомных молекул; продукты полимеризации, тонкого помола твердых веществ или интенсивного распыления жидкости; блочные твердые тела, в которых границы блоков столь выражены, что сами блоки можно рассматривать как квазичастицы; глины и морские взвеси, донные отложения и т.д.

Таблица 1. Объекты нанохимических исследований НаночастицыНаносистемы ФуллереныКристаллы, растворы ТубуленыАгрегаты, растворы Молекулы белковРастворы, кристаллы Полимерные молекулыЗоли, гели Нанокристаллы неорганических веществАэрозоли, коллоидные растворы, осадки МицеллыКоллоидные растворы НаноблокиТвердые тела Пленки Ленгмюра – БлоджетТела с пленкой на поверхности Кластеры в газахАэрозоли Наночастицы в слоях различных веществНаноструктурированные пленки

Рис. 5. Объекты нанохимии: а) фуллерен, б) нанотрубка Рис. 6. Наночастицы из 16 атомов аргона Рис. 7. Молекула фуллерена С 60 Рис.8. Фрактальный кластер Примеры наночастиц а)б)

Глава 3 ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ НАНОЧАСТИЦ 3.1 Химическая связь 3.2 Квантово-размерные эффекты наночастиц Рис. 9. Ферритин

Глава 4 ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ 4.1 Методы получения наночастиц: диспергационные методы; конденсационные методы 4.2 Методы получения наночастиц металлов: получение наночастиц из пересыщенных паров металлов; методы нанодиспергирования компактного материала

Глава 5 НАНОМАТЕРИАЛЫ И ПЕРСПЕК- ТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Нанопорошки Нанопористый углерод Полимерные нанокомпозиты: Нанокомпозиты с сетчатой структурой Слоистые нанокомпозиты Нанокомпозиты, содержащие металлы или полупроводники Молекулярные нанокомпозиты «Умные» наноматериалы биомиметики

Глава 6 ОСОБАЯ РОЛЬ УГЛЕРОДА В НАНОМИРЕ 6.3 Графен Рис. 10. Молекула фуллерена Рис. 11. Модель многостенной углеродной нанотрубки Рис. 12. Модель графена 6.1 Фуллерены 6.2 Углеродные нанотрубки

6.4 Получение углеродных наноструктур Электродуговое распыление графита; Лазерное испарение графита; Метод химического осаждения из пара; Радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы; Рост при высоком давлении и температуре

Глава 7 НАНОХИМИЯ В МЕДИЦИНЕ И ЭКОЛОГИИ

7.1 Диагностика КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ это нанокристаллы с размерами в несколько десятков нанометров, способные удерживать электроны и управлять их движением Рис. 13. Визуализация эритроцитов с помощью квантовых точек: а) – темнопольное изображение нативных эритроцитов человека; б) – изображение тех же самых клеток после декорирования их золотыми нанооболочками. а) б)

Рис. 14. Схема сенсора перекиси водорода: оболочка наночастиц сделана из полимера эфира пероксалата, содержимым является флуоресцентная краска (пентацен). Рис. 15. Наносенсор на основе наноштырей ZnOРис.16. Экспресс-анализатор

7.2 Терапия Рис.17. Полимерная наноразмерная капсула (дендример) Рис. 18. Доставка наночастиц с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) с помощью бактерии для лечения клеток

7.3 Нанохимические технологии и охрана окружающей среды Рис. 19. Нефтяная пленка на поверхности воды

Глава 8 НАНОТЕХНОЛОГИИ В БОРЬБЕ С ОНКОЛОГИЧЕСКИМИ ЗАБОЛЕВАНИЯМИ

8.1 Создание наночастиц в биологических тканях 8.2 Однослойные углеродные нанотрубки с адсорбированными антителами 8.3 Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии и наносферы для комбинированной терапии рака и обнаружения опухолей 8.4 Лечение рака груди с помощью комбинации люлиберина, цитотоксического белка и наночастиц оксида железа 8.5 Опухоль-ориентированные системы доставки 8.6 Лечение раковых метастаз 8.7 Фуллереновые наношарики в терапии рака

Глава 9 НАНОХИМИЯ И ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ 9.1 Генная инженерия 9.2 Метод введения биоматериалов в живые клетки 9.3 Моделирование наноструктур с использованием молекул нуклеиновых кислот

Глава 10 НАНОБИОТЕХНОЛОГИЯ 10.1 Направление развития нанобиотехнологии 10.2 Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул

Спасибо за внимание