Развитие современной химии

 

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  τ = 10-14 с и скорости атома  v = 105 см/с детектируются изменения  расстояний в молекулярной системе  на 0.1 Å, 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 τ = 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 об­ширные классы интереснейших нано­структур. Например, среди фуллере­нов известно множество частиц и изо­меров от малых (С20, С28) до гигант­ских (С240, С1840) с совершенно различ­ными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.

 

Синте­зированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кри­сталлов. Например, фуллерен С28 име­ет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза — гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (ок­сидов, дихалькогенидов металлов и прочих), по своей структуре подобных фуллеренам.

 

Из нанотру­бок получают очень интересные мате­риалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из пе­реплетенных, подобно растительным во­локнам, 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 пригодят­ся. Найдены вполне реальные облас­ти применения нанотрубок — напри­мер, в плоских дисплеях (фирма «Mo­torola»), которые превосходят плаз­менные и жидкокристаллические ана­логи, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10-15 г) - в час­тности, 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 - анали­тические методы. Сканирующий  электронный микроскоп (СТМ) был  создан в 1982 году, и тог­да же во многих научных центрах начали актив­но развиваться методы, с помощью  которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все  было подсчитано и пред­сказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы по­лучить первый колебательный спектр одной ад­сорбированной частицы.

 

 

Рисунок 1 – Сканирующая  туннельная микроскопия

 

Идея сканирующей туннельной мик­роскопии проста (рис. 1) -  игла туннель­ного микроскопа направлена на моле­кулу, расположенную  на поверхности твердого тела. Расстояние между иг­лой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не пе­рекрывались 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-ко­лебательными уровнями адсорбиро­ванной молекулы, и происходит рез­кий скачок проводимости. Значение на­пряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго инди­видуально для каждой молекулы, а по­тому дает ее точный «портрет».

 

Безусловно, улучшается качество знания и его точ­ность. Вместе с  тем есть области, в которых химия  одиночных молекул и связанные  с ней технологии приносят действительно  новые и иногда неожи­данные знания. Например, гетероген­ный катализ  и биологическое подраз­деление химии ожидает подъем имен­но  на базе новых технологий.

 

Хи­мия одиночных молекул - это в пер­вую очередь инструмент для управле­ния химическими  реакциями, а также для создания новых высоких молеку­лярных  технологий.

 

Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все  это необ­ходимо для создания молекулярных конструкций — элементов  наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное дости­жение химии одиночных молекул.

 

Если подытожить все, что  уже на­учились делать с отдельными молеку­лами, то получится весьма внушитель­ный  список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее перехо­дить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертика­ли - с иглы на поверхность  и обрат­но); помещать в нужное место  и раз­рывать. Зачастую все эти  манипуля­ции контролируют с помощью  всего двух параметров — тока и  напряже­ния.

 

Сканирующие туннельные микро­скопы  и родственные им приборы ис­пользуют  в качестве рабочих инстру­ментов, чтобы из отдельных атомов строить  наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекорд­ную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную спо­собности. Можно направленно изме­нять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, элек­троники, техники и медицины.

 

 

2.7 Электровзрывная активация  пульпы и растворов

 

Применение электровзрывной  активации пульпы и растворов  является перспективным направлением интенсификации процессов пе­реработки минерального сырья и очистки  сточных вод, повышающим степень  извлече­ния ценных компонентов  при снижении отри­цательного воздействия  производства на окру­жающую среду.

 

На широком экспериментальном  материа­ле изучено влияние импульсных полей взрыв­ного типа на изменение  физико-химических свойств минеральных  продуктов и водных растворов. Даны электрические и гидродина­мические характеристики процесса электро­взрывной обработки водных гетерогенных рас­творов. Установлено влияние ЭВА на измене­ние структурных и физико-химических свойств сульфидных и окисленных минералов.

 

Анализ проведенных  исследований позволяет сделать следующие выводы:

 

-кратковременное импульсное  воздейст­вие высоковольтным разрядом  большой мощ­ности способствует  разупрочнению руды и создает  условия для качественной пульпоподготовки при сокращении времени измельче­ния руды на 10... 15 мин по сравнению с из­

мельчением без ЭВА;

 

-технологические особенности  электро­взрывной пульпоподготовки необходимо рас­сматривать во взаимосвязи с основными гид-­

родинамическими характеристиками процесса; для процесса ЭВ пульпоподготовки сущест­венную роль играют послеразрядные явления и вторичные волны сжатия;

 

-ЭВА интенсифицирует процессы  сгуще­ния промпродуктов в 2,5— 3 раза и сокращаетвремя осветления коллоидных частиц, содержащихся в сточных водах предприятий;

 

-под действием ЭВ наблюдается  деструк­тивное разрушение токсичных  органических реагентов, присутствующих  в сточных водах многих химических  предприятий; совмеще­ние ЭВ с  аэрацией диспергированным возду­хом  или озоно-кислородной смесью позволя­ет эффективно осуществить очистку от таких токсичных соединений, как цианиды, фено­лы, фурфурол.