Тема:Полимеризация. Нанополимеры Баранцев Н.Р., 21503 Петрозаводский Государственный Университет. - презентация

1 Тема:Полимеризация. Нанополимеры Баранцев Н.Р., Петрозаводский Государственный Университет

2 Введение Использование материалов имеющих в своей основе нанополимеры дает неоспоримые преимущества, касающиеся не только улучшения качеств привычных нам изделий, используемых в повседневной жизни, но и создания новых, принципиально отличающихся от всего, что было ранее создано человеком. Развитие нанонауки и нанопромышленности не стоит на месте и, возможно, через двадцать-тридцать лет мы «мы будем ходить в суперпрочной наноодежде, есть из суперстойкой нанопосуды суперпитательную нанопищу».

3 Полимеризация (греч. polymeres - состоящий из многих частей) процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует мономерное звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков. Полимеризация

4 Нанополимеры Исследователи из Массачусетского технологического института создали новый класс материалов нанополимеры. В длину они достигают 50 тыс. частиц, при этом могут образовывать тонкие полимерные пленки площадью 1 кв. см и толщиной 60 мкм. Полимеры были созданы благодаря нарушению симметрии сферических наночастиц. Ученые присоединили два различных типа лигандов, молекул тиола, к полюсам сфер. Затем лиганды одной наносферы соединялись с лигандами другой частицы, образуя наномасштабный эквивалент полимера. Цепная реакция, которая занимает несколько часов, очень похожа на реакцию полимеризации нейлона. С помощью новой технологии можно создавать нанополимеры, обладающие определенными полезными свойствами. Например, она дает возможность контролировать пористость материала на наноуровне. Кроме того, новые полимеры могут использоваться для исследования фундаментальных свойств материалов.

5 Одежда Уже несколько лет ученые пытаются повторить удивительные способности маленькой ящерицы – геккона. Команде нанотехнологов из Калифорнийского Университета в Беркли (University of California) известно, почему геккону удается ползать по стенам. Все дело в миниатюрных волосках нанометровых размеров, которые позволяют держаться на вертикальной поверхности, как бы «приклеиваться» к ней, благодаря силам межмолекулярного притяжения (силам Ван-дер-Ваальса). Благодаря этому теперь мы можем поймать геккона и сшить из его шкуры пальто. Области применения нанополимеров

6 Нанотехнологии сегодня могут обеспечить почти точное воспроизведение прилипающей поверхности ноги геккона, вот только ученые долгое время не могли подобрать необходимый для этого материал. Ранее использовали даже кремниевые нано- волоски, полученные фотолитографической техникой, однако они не давали должного сцепления с поверхностью для прилипания. В новом исследовании ученые взяли новый материал – жесткий полипропилен, из которого был сформирован «ковер» из нанонитей диаметром 600 нанометров, что в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса.

7 Рис. 1. Полимерная поверхность, имитирующая липкие части ноги геккона Рис. 2. Тест нано-геккона на 400 граммовой гирьке

8 Полипропилен показал лучшие результаты, чем все остальные материалы (кремний и ряд полимеров). Получившаяся пленка площадью около двух квадратных сантиметров может держать на вертикальной стеклянной поверхности груз до 400 грамм! Это почти 1/6 от «прилипательной» силы геккона, и это максимум, что исследователи могут сегодня добиться от наноматериала. То есть пока природа лучше понимает в нанотехнологиях, чем ученые. Кроме того, для достижения тех же целей используются карбоновые нанотрубки, являющиеся на сегодня самым прочным материалом в мире полимеров. Его так же предполагается использовать для формирования миниатюрных волосков при создании специального костюма.

9 Рис. 3. Специальный костюм

10 Шины Полимерная резиновая смесь молекулярного уровня, рожденная нанотехнологиями, обеспечивает взаимодействие шины даже с самыми мельчайшими выступами дорожной поверхности, идущее на молекулярном уровне. Можно сказать, новая шина прямо-таки берет дорогу в свои объятия. Новая резиновая смесь также отличается выдающимися параметрами износостойкости. Объединение этих противоречивых параметров – отличное сцепление и низкий износ – относится к заслугам разработчиков шин. И все это за счет нанотехнологий.

11 «Электронная бумага» Созданная американскими исследователям химического факультета Калифорнийского университета в Риверсайде жидкость, изменяющая свой цвет под воздействием магнитного поля, содержит крошечные частицы оксида железа диаметром примерно 100 нанометров с нанесенным на них полимерным покрытием. Пластик несет на себе электрический заряд, а оксид железа подвержен действию магнитных полей. В результате манипуляций этими двумя противостоящими силами из частиц можно создавать упорядоченные структуры, носящие наименование коллоидных «фотонных кристаллов». Аккуратно выстроенная решетка обладает способностью не пропускать свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла – таким образом можно менять цвет изображения на «жидких экранах». Подобная взвесь частиц чрезвычайно дешева и проста в изготовлении и помимо гигантских мониторов, не «слепнущих» под прямыми лучами солнца, с успехом может быть использована при создании гибкой перезаписываемой «электронной бумаги».

12 Фотоэлементы Учеными создан первый в мире нейроинтерфейс, связывающий нейроны с пленками, содержащими фотоэлементы. Как считают исследователи, это открытие позволит в будущем сконструировать искусственную сетчатку глаза. Профессору Николасу Котову из медицинского отделения Техасского университета и его коллегам из университета Мичигана удалось связать нервные клетки с воздействием фотонов на специальную фотосенсорную пленку, связанную с клетками. Это открытие не обошлось без использования нанотехнологий. Наночастицы, использованные в составе световоспринимающей пленки, помогли создать современный прототип будущей искусственной сетчатки. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, созданная послойно. Она представляет собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA.

13 Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров.

14 Биологические сенсоры и экраны Освоена методика организации протяженных структур из нанотрубок и наностержней на разнообразных поверхностях со строго определенной, контролируемой и стабильно выдерживаемой по поверхности плотностью с полимерных пузырей. Ученым из Гарвардского и Гавайского университетов удалось продемонстрировать возможность использования метода экструзии посредством надувания пузырей для создания протяженных слоев из ориентированных в пространстве заданным образом нанотрубок. Аналогичные технологии были известны и использовались в промышленности и раньше, например, при производстве пластиковых пленок, однако для организации массивов из нанотрубок технология «мыльных пузырей» была применена впервые. В ходе проведенных экспериментов наноструктуры растворялись в жидкости на основе полимера, из которой выдувался пузырь. Малая толщина стенок пузыря (несколько сот нанометров) способствовала равномерному и упорядоченному расположению нанотрубок в стенках пузыря. По мере контролируемого роста пузырь соприкасался с экспериментальной подложкой - например, кремниевой пластиной. При этом стенка пузыря с содержащимися в ней наноструктурами «прилипала» к пластине, образуя сверхтонкую пленку со строго определенной и контролируемой удельной плотностью наноструктур. Предполагается, что новая технология позволит удешевить, в частности, массивы биологических сенсоров и экраны на основе наноструктур.

15 Строительство Первый коттедж, который сможет противостоять разрушению от землетрясения умеренной силы за счет достижений нанотехнологий, будет построен в Греции в 2010 году. Необычный проект разрабатывает Институт нанотехнологического производства университета Лидса, а также ряд других научных учреждений и компаний Европы. Ученые намерены ввести в состав бетона мириады полимерных наночастиц, разработанных таким образом, что под давлением они превращаются в жидкость, способную проникать в трещины, а затем – укрепляться, словно клей или бетон. По замыслу ученых, наночастицы должны стабилизировать несущую структуру дома после повреждений, полученных при землетрясении, тем самым повысив его сейсмостойкость и снизив риск серьезных разрушений. Один из лидеров проекта, профессор Терри Уилкинс из института нанотехнологического производства, поясняет, что здесь ученые едва ли не впервые пробуют найти работу нанополимерам в изделиях столь большого масштаба. Уилкинс говорит: "Как только у нас появится оптимальный проект, мы могли бы быстро начать производство тысяч литров жидкости с наночастицами, добавляя ее небольшой процент к гипсовой смеси".

16 Следует сказать, что нанотехнология еще очень молодое научное направление и пока находится на стадии первичного развития – когда основная часть информации и знаний используется только в лабораторных условиях. Однако нанотехнологии развиваются высокими темпами, и то, что еще вчера казалось невозможным, завтра будет доступно для внедрения в промышленных масштабах.