Влияние размерного эффекта на физико-химические свойства дисперсных систем

Рис. 24- Кинетика восстановления и соответствующий размер частиц (А).

Спектры поглощения наночастиц золота, синтезируемых с различным количеством зародышей (Б). Корреляция размера наночастиц золота с числом зародышей (В) [37].

Интересно, что кроме «классического» коллоидного золота с квазисферическими частицами - наносферами - в качестве меток для микроскопических исследований в последние годы стали использовать частицы несферической цилиндрической формы - наностержни,а также нанооболочки, наноклетки, нанозвезды и др.типы частиц, объединенные термином плазмонно-резонансные частицы благородных металлов (рис. 25) Для каждой формы частиц хараткерен свой максимум ППР, что открывает перспективы их использования для различных задач [38].

Рис. 25. Зависимость температуры плавления от радиуса кластеров золота. Сплошная линия -- расчет пунктирной линией отмечена температура плавления для макроскопического образца

Рассмотрим ещё один пример размерного эффекта, связанного с уменьшением температуры плавления. Приведенная на рис. 25 зависимость температуры плавления для кластеров золота от размеров свидетельствует о весьма удовлетворительном согласии экспериментальных данных с теоретическими

Совпадение расчетной зависимости с применением термодинамического подхода и экспериментальными данными имеет еще один важный аспект. В данном случае наблюдается совпадение вплоть до очень малых кластеров золота, которые имеют размер около 1 нм. Это позволяет сделать важный вывод о границах применимости термодинамики к малым объектам, что затруднительно сделать в границах самой теории. Таким образом, эти результаты свидетельствуют о том, что по крайней мере для кластеров около 1 нм можно прибегать к термодинамическим соотношениям, предполагающим, естественно, наличие некоторого ансамбля составляющих единиц (атомов) [33].

Кроме этого, нанокластеры золота, содержащие от 8 до 20 атомов, способны катализировать окисление угарного газа кислородом. Дальнейшие исследования показали, что наночастицы золота ускоряют гидрохлорирование ацетилена (присоединение HCl к ацетилену), разложение озона и сернистого газа.

За счет избыточной электронной плотности на поверхности наночастиц золота, последние являются достаточно реакционноспособными (рис 26). Функционализация наночастиц золота разнообразна и широко применяется, как в фундаментальной науке, та к и в прикладных разработках (Рис. 26) [39].

Рисунок 26 - Общие стратегии функционализации наночастиц золота [39].

Заключение

Таким образом, полученный к настоящему времени материал позволяет определить размерные эффекты в химии как качественное изменение физико-химических свойств и реакционной способности в зависимости от числа атомов (молекул) в частице, происходящее в интервале 1-100 атомно-молекулярных диаметров.

В настоящее время изучение размерных эффектов в химии и исследование свойств наночастиц различной природы составляют междисциплинарную область, которая во многом определяет развитие других смежных областей. Есть все основания полагать, что интерес к наноразмерным частицам будет сохраняться еще длительное время и это вызвано тем, что они занимают промежуточное положение между атомно-молекуярным и конденсированным состояниями вещества. Из этого факта вытекают необычные их свойства.

Фундаментальными задачами остаются установление их электронной структуры, характера взаимодействия со средой, изучение состояния поверхности и её влияния на устойчивость наночастицы, способности оказывать каталитическое действие на протекание разнообразных химических реакций.

Размерные эффекты играют важную роль в химических процессах. При переходе к наночастицам возникает принципиально новая ситуация: практически весь объем вещества попадает в радиус действия поверхностных сил, и разделение атомов на поверхностные и объемные становится необоснованным. В этом случае наночастицу следует рассматривать как кластер или макромолекулу, структурные, термодинамические и транспортные свойства которой существенно отличаются от свойств макрокристалла.

.С прикладной точки зрения нанокомпозиты представляют собой перспективный класс новых материалов, обладающих уникальными электронными свойствами, высокой молекулярной, атомной и ионной подвижностью. Размерные эффекты существенно влияют на механохимические процессы в гетерогенных смесях, что важно для решения практических задач, например, контроля интенсивности процесса и получения нужных продуктов реакции. Возникающие при этом проблемы можно решить, изучая влияние размера частиц на каталитические, электрохимические и специфические химические свойства веществ. Таким образом, дальнейшее исследование размерных эффектов в гетерогенных системах имеет большое теоретическое и практическое значение.

Список используемой литературы

1. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция применения в физике, электронике и технологии. Нобелевская лекция по физике //Успехи физических наук. -- 2002. -- Т. 172.. -- С. 1068--1086.

2. Андриевский Р.А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. Механические и физические свойства // Физика металлов и металловедение. -- 2000. -- Т. 89.-- С. 91 -- 112.

3. Сумм Б.Д., Иванова Н. И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии // Успехи химии. -- 2000. -- Т. 69. -- № 11. -- С. 995-1008.

4. Murthy S.K. Nanoparticles in modern medicine: state of the art and future challenges // Int J Nanomed. - 2007. -N 2. - P.129-141.

5. Ахметов М. А. Введение в нанотехнологии //Образовательный центр «Участие». - 2012. - C. 108.

6. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии//Физматлит, - 2007. -- C.416.

7. Сергеев Г. Б. Размерные эффекты в нанохимии// Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), - 2002. - т. XLVI. - №. 5.

8. Непийко С.А.Физические свойства малых металлических частиц//Наукова думка. - 1985 - Киев.

9. Андриевский Р.А,. Глезер А.М. Физика металлов и металловедение// - 1999. - т. 88. - N. 50.

10. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты.//Атомиздат. - 1979.- Москва

11. Хайрутдинов Р. Ф., Химия полупроводниковых наночастиц//Усп. хим./ - 1998. - т.67. - N.2 . -. C. 125-139.

12. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники Учебное пособие// Логос. - 2006. -- М. -- C. 496.

13. Векилов Ю. Х. Межатомные взаимодействия и элеткронная структура твёрдых тел// Из-во Московского государственного института стали и сплавов. - 1996.

14. Киселев В. Ф.‚ Козлов С. И, Зотеев А. В. Основы физики поверхности твердого тела// Изд-во МГУ. -- 1999. - М. -- C.284

15. Шоршоров М. Х. Ультрадисперсное структурное состояние металлических сплавов// Наука. ----2001. - М. -- C. 1 55.

16. Obraztsova E. D., Korotushenko K.G., Pimenov V. G. Raman and photoluminescence investigations of nanograined diamond films//Nanostructed Materials. - 1995. - V. 6. - N 5. - P. 827-830

17. Андриевский Р.А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. Особенности структуры. Термодинамика. Фазовые равновесия. Кинетические явления // Физика металлов и металловедение. -- 1999. -- Т. 88. -- № 1. -- С. 50-73.

18. Русанов А. И. удивительный мир наноструктур// Журнал общей химии. - 2002. - Т. 72. - №4. - С. 532-549

19. Tschope A., Birringer R. Thermodynamics of nanocrystalline platinum//Axta Metallurgica and Materialia. - 1993. -V. 41. - N 9. - P. 2791-2796

20. Kuji T., Matysumura Y., Uchide H. Hydrogen absorption of nanocrystalline palladium //Journal of Allow and Compounds. - 2002. - V. 330-332. - P. 718-722.

21. Верещагин А.Л. О фазовой диаграмме ультрадисперсного углерода // Физика горения и взрыва. -- 2002. -- Т. 38. -- № 3. -- С. 119-120.

22. Polotai A. V., Ragulya A.V., Skorokhod V.V. Nanocrystalline BaTio3 synthesis, sintering and size effect //Science of Sintering: Current Problems and New Trends. - Beograd; Kluwer academic publishers, 2003. - P. 119-125

23. Goll G., Lohneysen H. Specific heat of nanocrystalline and colloidal noble metals at low temperatures // Nanostructed Materials. - 1995. - V. 6. - N 5-8. - P. 559-562

24. Zhao Y. H., Lu K. Grain size dependence of thermal properties of nanocrystalline Se studied by means of X-ray diffraction// Physical Review B. - 1997. - V. 56. - P.14330-14337

25. Sheng H. W., Hu Z. O., Lu K. Melting process of nanosized in particles embedded in Al matrix // Journal Materials Research. - 1996. - V. 11. - P. 2841 - 2851.

26. Елисеев А.А., Лукашин А. В Физические свойства веществ в нанокристаллическом состоянии// Из-во МГУ. - 2007. - М.

27. Ершов Б. Г. Наночастицы металлов в водных растворах:электронные, оптические и каталитические свойства//Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). - 2001. - т. XLV. - № 3

28. Парфенов В.В., Болтакова Н.В., Л.Р.Тагиров Р.И., Степанов А.Л., Хайбуллин Р.И. Определние размеров металлических наночастиц из спектров плазмонного резонанса. Учебно-методическое пособие // Из-во Казанского (Приволжского) федерального университета. - 2012. - С.21.

29. Климов Б.Н., Штыкова С. Н. Физико-химия наноструктурированных материалов. Учебное пособие// Из-во Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского. - 2009. - С. 117.

30. Malow T. R., Koch C. C. Machanical properties of nanocrystalline iron// Acta Materialia. - 1998. - V. 18. - P. 6459 - 6473.

31. Андриевский Р.А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. П. Механические и физические свойства // Физика металлов и металловедение. -- 2000. -- Т. 89. -- № 1. -- С. 91 -- 1 12.

32. Гуткин М. Ю, Овцдько ИА. Физическая механика деформируемых наноструктур: нанокристаллические материалы// Янус. - 2003. -- СПб. - Т. 1. - C. 194.

33. Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2-е изд., испр. - М.: URSS, 2008. - 310 - 489 с.

34. Vinod C.P., Kulkarni G.U., Rao C.N.R. Nanochemistry //Chem. Phys. Lett.. - 1998. - v. 289/ - p. 329-332.

35. Heiz U., Sanchez A., Abbet S., Schneider W.-D. Atomic Clusters: From Gas Phase to Deposited //Chem. Phys.- 2000. - v. 262. - p. 189-200.

36. Уваров Н.Ф, Болдырев В.В. Размерные эффекты в химии гетерогенных систем // Успехи химии. - 2001. - Т. 70. № 4.

37. Perrault, S. D., Chan, W.C. Synthesis and surface modification of highly monodispersed, spherical gold nanoparticles of 50-200 nm // J Am Chem Soс. - 2009. - N 131. - P. 17042-17043.

38. Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щеголев С.Ю., Хлебцов Н.Г. Золотые наночастицы: Синтез, свойства, биомедицинское применение// Наука - М. - 2008. - C. 319.

39. Lauren, A., Megan, A. The optical, photothermal, and facile surface chemical properties of gold and silver nanoparticles in biodiagnostics, therapy,and drug delivery // Arch Toxicol. - 2014. - N 88. - P.1391-1417.

Размещено на Allbest.ru