Главная Обратная связь

Дисциплины:






Площадь поверхности наночастиц



Многие свойства материалов, состоящих из зерен микрометровых (и в еще большей степени – нанометровых) размеров сильно зависят от их удельной поверхности. Например, можно ожидать, что удельное электрическое сопротивление слабосвязанного гранулированного материала будет определяться полной контактной площадью отдельных зерен. Химическая активность обычного гетерогенного катализатора пропорциональна его удельной поверхности, что обеспечивает наночастицам хорошую перспективу использования в качестве эффективных катализаторов. Однако из этого не следует, что каталитическая активность обязательно пропорциональна площади поверхности в диапазоне размеров наночастиц.

Пористые материалы

В предыдущем параграфе было показано, что эффективный способ увеличения удельной поверхности материала состоит в том, чтобы уменьшить размер его зерен. Другой способ увеличения S состоит в том, чтобы ввести в объемный мате­риал мелкие пустоты. Некоторые вещества типа цеолитов, кристаллизуются в структуры с регулярно расположенными полостями, в которых могут находиться атомы или небольшие молекулы. Они могут и вводиться и выводиться из таких пор при изменении условий окружающей среды. Молекулярное сито, которое является подходящим инструментом для того, чтобы отфильтровывать молекулы специфических размеров, обычно имеет управляемый узкий диапазон диаметров пор. Существуют и другие материалы, как, например, силикаты и глиноземы, которые могут быть подготовлены таким образом, чтобы они имели пористую структуру более или менее случайного типа; то есть они могут служить губками на мезоскопическом или микрометровом масштабе. Для таких материалов поры с диаметрами в нанометровом диапазоне весьма обычны

Коллоиды

Наноразмерные частицы металлов обычно нерастворимы в неорганических или органических растворителях, но если они получены в коллоидной форме, они могут проявлять большую каталитическую активность. Коллоид — взвесь частиц с размерами от 1 до 1000 нм, то есть большими, чем большинство обычных молекул, но все еще слишком маленькими, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Многие коллоидные частицы могут, однако, быть обнаружены по рассеянию света, как частицы пыли в воздухе. Эти мелкие частицы все время хаотически движутся. Движение является результатом столкновений с молекулами растворителя, которые сами находятся в непрерывном движении.

Способ получения коллоидной взвеси в органических жидкостях состоит в том, чтобы стабилизировать металлическую частицу, используя липофильное поверхностно‑активное вещество (ПАВ) — галид тетраалкиламмония NR4X, где X — галоген, например хлор (Сl) или бром (Br), a R представляет алкиловую группу СnН2n+1. Эта группа является угле­водородным радикалом, образованным удалением атома водорода от концевого атома углерода линейной цепочки, или обычной алкановой молекулы с n, обыч­но лежащим в диапазоне от 6 до 20.



Метаматериа́л — материал, природные свойства которого обусловлены не столько природными физ-ми св-ми, сколько периодической микроструктурой создаваемой чел-ом. Метам-лы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометр-ми формами, которые модифицируют диэлетрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного матерела. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно больших размеров атомы. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет большой выбор свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей.Основы эффекта:Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид: k2 − (ω / c)2n2 = 0 (1), где k — волновой вектор, ω — частота волны, c — скорость света, n2 = εμ — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической ε и магнитной μ восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях. Среды, у которых ε, μ — одновременно отрицательные, называют «левыми».

Метаматериалы – неоднородные среды, состоящие из поляризуемых частиц, расположенных регулярным или хаотическим образом в матрице, которая обеспечивает механическую целостность системы. Отклик метаматериалов на воздействие электромагнитной волны можно представить как отклик однородной среды ( с помощью эффективных проницаемостей), если размеры поляризуемых частиц и расстояния между ними существенно меньше, чем длина волны. Эффективные проницаемости метаматериала могут принимать значения, неосуществимые в природных однородных веществах (например, « левые среды»). Если частицы образуют регулярную решетку, а их размеры и расстояния между ними сравнимы с длиной волны, такие (мета)материалы называют фотонными кристаллами. Отличительной особенностью фотонных кристаллов является наличие чередующихся спектральных полос прозрачности и непропускания. В настоящее время реализованы метаматериалы, обладающие резонансным откликом в оптическом и ИК-диапазонах, в Том числе искусственные магнетики и « левые» среды. Элементами для построения таких метаматериалов служат металлические наночастицы, в которых возбуждаются плазмонные колебания. Практически все наличные структуры оптических метаматериалов представляют собой двумерные объекты (метапленки). Актуальна задача получения активных метаматериалов, то есть структур, в которых осуществляется регенерация потерь вследствие индуцированного излучения. Первые наблюдения фотолюминесценции в гибридной структуре ( квантовая яма– метапленка из металлических наночастиц) продемонстрировали, ее частотную избирательность и потенциальную активность, что позволяет ожидать регенерацию потерь и усиление света при оптической накачке умеренной интенсивности.

Суперлинза: Учёные утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету т.к. оно формируется без затухающих волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением. Но вопрос создания суперлинз на основе левых сред в настоящее время дискутируется, а экспериментальные попытки создания линз продолжаются.

Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами . В оптическом диапазоне суперлинза была реализована. Это была линза не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.

Для создания линзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфраккрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия. В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен -0.6 .

Применение:В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, которые называются метаматериалами. Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.

Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки в определённом диапазоне частот. Так же потенциальное применение в оптике, микроскопии, фотоаппаратах.

Разработки:метаматериал с использованием однослойных углеродных нанотрубок. Гибридный метаматериал продемонстрировал сильные и очень быстрые (менее 600 фс) изменения коэффициента преломления при взаимодействии с излучением. По мнению авторов рассматриваемой работы, подобные материалы могут использоваться для изготовления некоторых компонентов лазеров и наноразмерных схем обработки оптических сигналов.

 

В медицине

Применение: имплантанты, протезы, травматологические аппараты.

Причина использования: сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма.

Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантантов.

Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).

Наномедицина - это бурно развивающаяся область медицинских знаний, посвященная совершенствованию профилактики, диагностики и лечения заболеваний с помощью нанотехнологии.

Три группы применения нанотехнологий в медицине.

1) терапевтические подходы, основанные на применении нанотехнологии

2) диагностические наномедицинские процедуры.

3) использование наноматериалов в технологии изготовления различных изделий медицинского назначения.

 

Терапевтические наномедицинские подходы включают использование различных типов наночастиц для обеспечения адресной доставки в поврежденные ткани лекарственных препаратов и генетического материала. Нанотехнологии могут обеспечивать доставку препаратов в определенный тип клеток, в отдельные клетки, в конкретный внутриклеточный компартмент и даже в субклеточные структуры (ядро клетки, митохондрии и др.)

Использование нанотехнологии в биологии и медицине базируется на знании физических и химических свойств наноматериалов. В настоящее время достаточно хорошо охарактеризованы такие наноматериалы, как

1. Нанопористые материалы

2. Нанотрубки

Нанопористые материалы

Простейший вариант наноматериала - это поверхность с отверстиями (порами), имеющими наноразмерный диаметр.

Одним из первых наномедицинских материалов является кристаллический силикон с микроячейками, в которые могут помещаться клетки. Взаимодействие клеток с окружающей средой происходит через силиконовую мембрану, содержащую поры диаметром около 20 нм. Эти поры дают возможность поступления к клеткам таких небольших молекул, как глюкоза, кислород и инсулин, но, в то же время, препятствуют контакту загруженных в ячейки основной матрицы клеток с антителами. Микрокапсулы, содержащие иммуноизолированные островковые клетки, могут имплантироваться под кожу пациентов с сахарным диабетом. Трансплантация инкапсулированных клеток в организм может быть важной альтернативой заместительной терапии многих заболеваний, сопровождающихся врожденным и приобретенным дефицитом гормонов и ферментов.

Для примера рассмотрим шелковые кости.

Размер пор в таких материалах существенен и должен составлять около 100 мкм, чтобы кровеносные сосуды могли прорастать в имплантант. Прочность пористой человеческой кости варьируется от 10 МПа до 50 МПа. Удалось создать макропористые структуры из шелка и фосфата кальция, обладающие как биоактивностью, так и хорошими прочностными свойствами.

Механические испытания показали, что средняя прочность образцов составляет около 14 МПа.

Биологические испытания показали, что в присутствии полученного композита рост колонии клеток костного мозга человека происходит в пять раз быстрее, чем в его отсутствии.

Данный композит может найти большое применение в медицине благодаря его биоактивности и прочностным свойствам.

Нанотрубки

Углеродные нанотрубки принадлежат к семейству аллотропных модификаций углерода. Нанотрубки представляют собой цельные цилиндрические структуры, образованные листками графита. Существуют две разновидности нанотрубок - однослойные и многослойные. Нанотрубки сочетают в себе высокую жесткость и упругость со способностью к обратимому сгибанию и коллабированию.

Актуальным вопросом является возможность использования нанотрубок в качестве носителей лекарственных веществ. Известно, что нанотрубки взаимодействуют с макромолекулами (ДНК, белки). Принципиально существуют три способа использования нанотрубок для доставки и высвобождения лекарственных веществ. Первый способ заключается в сорбировании активных молекул препарата на сети нанотрубок или внутри их пучка. Второй способ предполагает химическое присоединение лекарства к функционализированной внешней стенке нанотрубок. Наконец, третий способ требует помещения молекул активного вещества внутрь просвета нанотрубок.

Важным этапом превращения нанотрубок в эффективный носитель лекарственного вещества является функционализация поверхности нанотрубок, т.е. присоединение к ней химических группировок, играющих роль связующего звена между поверхностью и молекулой лекарственного препарата.





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...