Новые научные направления современной химии и их прикладное использование 
Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения используются в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более производство DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.
Нанохимия - это синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.
Ниже перечислены направления исследований в нанохимии:
- разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов;
- изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях. Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.
- разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.
- получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.
- изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.
- исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.
Ожидаемым результатом будет функциональный ряд машин, обеспечивающий:
- методологию изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы.
- новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики;
- оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия.
- методологию предотвращения химической деградации технических наноструктур;
- методики прогноза химической деградации.
- нанолекарства для терапии и хирургии, препараты на основе гидроксиапатита для стоматологии;
- способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля.
- методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов;
- методики регулирования пространственной организации наноструктур.
- новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.
2.4 Фемтохимия
Фемтохимия исследует время движения реагирующих систем на потенциальной поверхности и вводит в химию экспериментальную химическую динамику как высшую, элитарную часть химической кинетики.
Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило крупный прорыв в фемтохимию; это новая химия, детектирующая химические события в масштабе ультракоротких времён 10-15-10-14 с (1-10 фемтосекунд). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10-13-10-11 с). Благодаря такому соотношению времён фемтохимия «видит» саму химическую реакцию - как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов.
В частности, фемтохимия занимается изучением переходного состояния химической реакции. Переходное состояние - это область межатомных расстояний, лежащая на пути от реагентов к продуктам, в которой система проходит через такие структуры, которые уже нельзя назвать реагентами, но ещё нельзя считать продуктами. Временная эволюция конфигурации атомов называется динамикой переходного состояния. Так как время пребывания молекулярной системы в переходном состоянии составляет всего порядка 100 фс, то до появления соответствующих инструментов исследователям приходилось восстанавливать его динамку, изучая кинетики реагентов и продуктов. Этих данных оказалось недостаточно для однозначного восстановления последовательности событий. Лишь с открытием в недавнем времени лазеров, изучающих ультракороткие импульсы длительностью 100 фс, появились новые экспериментальные возможности:
- при длительности импульса ф = 10-14 с и скорости атома v = 105 см/с детектируются изменения расстояний в молекулярной системе на 0.1 Е, что позволяет с хорошей точностью проследить временную эволюцию конфигурации ядер;
- Вследствие когерентности импульса возможно когерентное возбуждение нескольких колебательных или вращательных состояний молекулы с определёнными относительными фазами движения атомов.
Такой тип возбуждённых состояний называется когерентным ядерным волновым пакетом.
- При энергии 1 мкДж импульса длительностью ф = 10-14 с, пиковая мощность равна P = 100 МВт, поэтому можно легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, получая высоковозбужденные молекулярные системы. Под действием таких импульсов на вещество генерируются импульсы света в широком спектральном диапазоне (суперконтинуум), рентгеновского излучения и электронов.
Этот крупный прорыв в современной химии открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки - фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии (ППЭ) и т.д.
Основные направления этих новых областей исследований - это исследования детальных микроскопических химических и биологических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени.
2.5 Синтез фуллеренов и нанотрубок
Фуллерены и нанотрубки -- это об-ширные классы интереснейших нано-структур. Например, среди фуллере-нов известно множество частиц и изо-меров от малых (С20, С28) до гигант-ских (С240, С1840) с совершенно различ-ными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.
Синте-зированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кри-сталлов. Например, фуллерен С28 име-ет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза -- гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (ок-сидов, дихалькогенидов металлов и прочих), по своей структуре подобных фуллеренам.
Из нанотру-бок получают очень интересные мате-риалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из пе-реплетенных, подобно растительным во-локнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. Если вспомнить, что прочность нанотрубок в 50-100 раз больше, чем у стали, то становится понятно, что подобные изобретения человечеству весьма пригодят-ся. Найдены вполне реальные облас-ти применения нанотрубок -- напри-мер, в плоских дисплеях (фирма «Mo-torola»), которые превосходят плаз-менные и жидкокристаллические ана-логи, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10-15 г) - в час-тности, вирусы.
2.6 Химия одиночной молекулы
Сегодня ученые могут увидеть и распознать одну молекулу и даже манипулировать ей. Новое знание позволяет, например, увидеть поверхностные комплексы, катализирующие многие процессы. А главное, что можно уже не только увидеть, но и манипулировать молекулами, и моделировать из них разные наноструктуры.
Основное в химии одиночных молекул - анали-тические методы. Сканирующий электронный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 году, и тог-да же во многих научных центрах начали актив-но развиваться методы, с помощью которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все было подсчитано и пред-сказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы по-лучить первый колебательный спектр одной ад-сорбированной частицы.
Рисунок 1 - Сканирующая туннельная микроскопия
Идея сканирующей туннельной мик-роскопии проста (рис. 1) - игла туннель-ного микроскопа направлена на моле-кулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иг-лой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не пе-рекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-ко-лебательными уровнями адсорбиро-ванной молекулы, и происходит рез-кий скачок проводимости. Значение на-пряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго инди-видуально для каждой молекулы, а по-тому дает ее точный «портрет».
Безусловно, улучшается качество знания и его точ-ность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожи-данные знания. Например, гетероген-ный катализ и биологическое подраз-деление химии ожидает подъем имен-но на базе новых технологий.
Хи-мия одиночных молекул - это в пер-вую очередь инструмент для управле-ния химическими реакциями, а также для создания новых высоких молеку-лярных технологий.
Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необ-ходимо для создания молекулярных конструкций -- элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное дости-жение химии одиночных молекул.
Если подытожить все, что уже на-учились делать с отдельными молеку-лами, то получится весьма внушитель-ный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее перехо-дить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертика-ли - с иглы на поверхность и обрат-но); помещать в нужное место и раз-рывать. Зачастую все эти манипуля-ции контролируют с помощью всего двух параметров -- тока и напряже-ния.
Сканирующие туннельные микро-скопы и родственные им приборы ис-пользуют в качестве рабочих инстру-ментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекорд-ную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную спо-собности. Можно направленно изме-нять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, элек-троники, техники и медицины.
2.7 Электровзрывная активация пульпы и растворов
Применение электровзрывной активации пульпы и растворов является перспективным направлением интенсификации процессов пе-реработки минерального сырья и очистки сточных вод, повышающим степень извлече-ния ценных компонентов при снижении отри-цательного воздействия производства на окру-жающую среду.
На широком экспериментальном материа-ле изучено влияние импульсных полей взрыв-ного типа на изменение физико-химических свойств минеральных продуктов и водных растворов. Даны электрические и гидродина-мические характеристики процесса электро-взрывной обработки водных гетерогенных рас-творов. Установлено влияние ЭВА на измене-ние структурных и физико-химических свойств сульфидных и окисленных минералов.
Анализ проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:
-кратковременное импульсное воздейст-вие высоковольтным разрядом большой мощ-ности способствует разупрочнению руды и создает условия для качественной пульпоподготовки при сокращении времени измельче-ния руды на 10... 15 мин по сравнению с из-
мельчением без ЭВА;
-технологические особенности электро-взрывной пульпоподготовки необходимо рас-сматривать во взаимосвязи с основными гид--
родинамическими характеристиками процесса; для процесса ЭВ пульпоподготовки сущест-венную роль играют послеразрядные явления и вторичные волны сжатия;
-ЭВА интенсифицирует процессы сгуще-ния промпродуктов в 2,5-- 3 раза и сокращаетвремя осветления коллоидных частиц, содержащихся в сточных водах предприятий;
-под действием ЭВ наблюдается деструк-тивное разрушение токсичных органических реагентов, присутствующих в сточных водах многих химических предприятий; совмеще-ние ЭВ с аэрацией диспергированным возду-хом или озоно-кислородной смесью позволя-ет эффективно осуществить очистку от таких токсичных соединений, как цианиды, фено-лы, фурфурол.
Рассмотрены перспективы применения ЭВА в различных химических технологиях пе-реработки минерального сырья. Созданы и прошли испытания в промышленных услови-ях электровзрывные установки для активации минеральных пульп на Кентауской обогати-тельной фабрике и Норильском ГМК, по ос-ветлению растворов на ОАО "Красноярский алюминиевый завод" и ОАО "Ачинский гли-ноземный комбинат", по очистке сточных вод на ОАО "Ачинский нефтеперерабатывающий завод", ОАО "Красноярский биохимзавод", Красноярский химкомбинат "Енисей".
Список литературы
1. Бутин К.П. Механизмы органических реакций: достижения и перспективы - Российский химический журнал, сер.2, том XLV, 2001, №2
2. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы - Успехи химии, 1999, том 68, с. 85-1
3. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной органической химии - Соросовский Образовательный Журнал, 1996
4. Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия - Успехи химии 2001, т.70, №6, с.515-538
5. Сумм Б.Д.,Иванова Н.И. Коллоидно-химические аспекты нанохимии от Фарадея до Пригожина - Вестник Московского Университета, Химия 2001, том 42, №5, с.300-305
6. Шепелев И.И., Твердохлебов В.П. Электровзрывная обработка водных пульп и эмульсий - Химичеякая технология, 2001 ?1, с. 2-14, №2 с.3-18.
7. Благутина В.В. Химия одиночных молекул - Химия и жизнь, 2004, № 9, с.14-19.
8. Ивановский А.Л. Фуллерены и нанотрубки - Химия и жизнь, 2004, № 8, с.20-25.
9. Бучаченко А.Л. Спиновая химия - Химия и жизнь, 2004, № 3 с.8-13.
Страницы: 1, 2
|
