Նանոքիմիա

Նանոմասնիկներ և նանոտեխնոլոգիա

Նանոքիմիա (լատիներեն nanus («թզուկ») բառից), նանոգիտության բաղադրիչ մաս կազմող գիտություն։ Նանոգիտության խնդիրը կայանում է նանոօբյեկտների, նանոնյութերի մեխանիկական, էլեկտրական, մագնիսական, օպտիկական և քիմիական հատկությունների ուսումնասիրությունը։ Իսկ նանոքիմիան զբաղվում է նանոօբյեկտների սինթեզի մեթոդների և քիմիական հատկությունների ուսումնասիրությամբ։

Նանոքիմիան սերտ կապի մեջ է նյութագիտության հետ, քանի որ նանոօբյեկտները մտնում են շատ միացությունների բաղադրության մեջ։ Նանոգիտության զարգացումը շատ կարևոր է նանոտեխնոլոգիայի զարգացման համար։ Նանոտեխնոլոգիան նանոօբյեկտների օգտագործման և տեխնոլոգիական պրոցեսների կառավարումն է։

Նանոօբյետկներ

Նանոմասնիկներ

Նանոմասնիկ ընդունված է անվանել այն մասնիկներին, որոնք բաղկացած են ատոմներից, իոններից կամ մոլեկուլներից, որոնց չափսերը փոքր են 100 Նմ-ից (1 նանոմետրը 1 մետրի մեկ միլիարդերորդ մասն է՝ 0.000 000 001 մ (10⁻⁹ մ)։ Որպես օրինակ կարող են ծառայել մետաղների մասնիկները։

Տարբեր նանոմասնիկների օրինակներ

Ինչո՞ւ են գիտնականների ուշադրությունը գրավել նանոչափերը։ Կատարենք մտավոր էքսպերիմենտ։ Պատկերացնենք ոսկով լցված խորանարդ, որի կողի երկարությունը մեկ մետր է։ Խորանարդը կկշռի 19.3 տոննա, որի մեջ պարունակվում է մեծ թվով ոսկու ատոմներ։ Բաժանենք այդ խորհանարդը յոթ հավասար մասերի։ Յուրաքանչյուր խորանարդ իրենից կներկայացնի ոսկով լցված խորանարդ, որի չափերը երկու անգամ փոքր են սկզբնական խորանարդի չափերից։ Ընդհանուր մակերեսը կմեծանա երկու անգամ, բայց արդյունքում մետաղի հատկությունները փոփոխության չեն ենթարկվի։ Շարունակենք այս պրոցեսը։ Երբ խորանարդի կողի երկարությունը հասնի մեծ մոլեկուլների չափսերին, նյութի հատկությունները լրիվ կդառնան ուրիշ։ Մենք հասնում ենք նանոչափերի և ստանում խորանարդի տեսքով ոսկու նանոմասնիկներ։ Նրանք օժտված են մեծ ընդհանուր մակերեսով, որը առաջ է բերում նոր անսովոր հատկություններ, որի շնորհիվ նրանք տարբերվում են սովորական ոսկուց։ Օր.` ոսկու նանոմասնիկները կարող են հավասար բաշխվել ջրում, ձևավորելով կոլոիդ լուծույթ` զոլ։ Կախված զոլի մասնիկների չափսերից, ոսկու զոլը կարող է ունենալ նարնջագույն, կարմիր, անգամ դեղին գույն։

Նանոխողովակներ

Վերջին ժամանակներս նանոտեխնոլոգիայում մեծ կիրառություն են գտել նանոխողովակները։ Նանոխողովակ են անվանում այն մասնիկներին, որոնք ստացվում են գրաֆիտի մեկ կամ մի քանի շերտերի գլանաձև պտտումից։ Այսօր նանոխողովակները սկսել են արտադրել մեծ քանակություններով, սակայն, թե ինչպես են ստացել այս խողովակները միջնադարյան «տեխնոլոգիաներով», մնում է գաղտնիք։

Կիրառությունը

Նանոնյութերի օգտագործումը էլեկտրոտեխնիկայում հնարավորություն է տալիս հիշող սարքավորումների հնարավորությունը մեծացնել հազար անգամ, փոքրացնելով չափսերը։ Հաստատված է, որ նանոչափերի մասնիկները օրգանիզմ ներմուծելիս և ռենտգենյան ճառագայթներով ճառագայթելիս, տեղի է ունենում քաղցկեղի բջջիների աճի փոքրացում։ Նանոմասնիկները օգտագործում են նոր տիպի արևային մարտկոցներում և վառելիքային էլեմենտներում, սարքավորումներ, որոնք վառելիքի այրման էներգիան փոխարկում են էլեկտրական էներգիայի։

Ապագայում նրանց օգտագործումը հնարավորություն կտա հրաժարվել ածխաջրածնային վառելիքներից ջերմային էլեկտրակայաններում և ներքին այրման շարժիչներում, քան որ նրանք բերում են մոլորակի էկոլոգիական վիճակի խախտման։

Նանոմասնիկների սինթեզը և նրանց հետազոտությունը

Գոյություն ունեն երկու հիմնական մեթոդներ նանոմասնիկներ սինթեզելու համար՝ «ներքևից վերև», առանձին ատոմներից և մոլեկուլներից, օգտագործելով գերազանցապես ատոմների և մոլեուլների քիմիական ռեակցիան, և «ներքևից վերև»` մեխանիկական կամ ուրիշ ավելի մանրացված առավել խոշոր մասնիկներ։

Սինթեզման «ներքևից վերև» մեթոդը

Լաբորատոր պայմաններում պլազմայի (մանուշակագույն) մեջ նանոխողովակների ստացում. քիմիական նստեցման օրինակ

Սառցահատիկների բյուրեղացումը ֆիզիկական նստեցման օրինակ է

«Ներքևից վերև» մեթոդները կարելի է բաժանել երկու մեծ խմբերի.

1. Նանոմասնիկների նստեցումը գազֆազից
2. Նանոմասնիկների ձևավորումը կոլոիդ լուծույթում

Եթե գազ ֆազից նանոմասնիկների նստեցման պրոցեսում տեղի է ունենում միացության բաղադրության փոփոխությամբ, ապա այն անվանում են քիմիական (CVD - chemical vapor deposition), իսկ եթե քիմիական ռեակցիա չկա, անվանում են ֆիզիկական (PVD - physical vapor deposition)։ Ֆիզիկական նստեցումը գազ ֆազից հիմնականում օգտագործվում է պարզ միացությունների նանոմասնիկներ ստանալու համար։ Դրա համար միացությունը խտացնում են, ստացված գոլորշին տեղափոխում են նստեցման տեղը և սառեցնում։

Նստեցման սարքավորումը

Նստեցման սարքավորումը բաղկացած է չորս հիմնական էլեմենտներից՝ վակուումային կամերա, խտացված մակերևույթ (միացության աղբյուրը), միջավայրը (վակուում կամ պլազմա), որոնք պարունակում են իներտ գազի իոններ, օգտագործվող մակերևույթ (սուբստրատ), որի վրա տեղի է ունեում նանոմասնիկների նստեցումը։

Նստեցման պրոցեսը

Նստեցման պրոցեսը սկսվում է կամերայում մեծ վակուում ստեղծելով (10-4-10-6 Պա), որից հետո կամերան լցնում են իներտ գազով, շատ հաճախ արգոնով։ Քիմիական նստեցման դեպքում կամերայում ավելացնում են գազեր, որոնք փոխազդում են խտացված նյութի հետ՝ թթվածին, ազոտ, ացետիլեն, որից հետո սկսվում է խտացման պրոցեսը։ Միացության նստեցման համար օգտագործում են տարբեր մեթոդներ՝ ճառագայթումով տաքացում, բարձր ինտենսիվությամբ իմպուլսային լազեր, բարձր վակուումի պայմաններում էլեկտրոններով ռմբակոծելով և այլն։ Սառեցման դեպքում ատոմները և մոլեկուլները գազ ֆազից անջատվում են նանոմասնիկների տեսքով հատուկ մակերևույթների վրա։ Ձևավորվող նանոմասնիկի չափսերը և ձևը կախված են նստեցման պայմաններից (Ճնշում, ջերմաստիճան, գազի հոսքի արագությունը )։ Այս ձևով ստանում են մետաղների նանոկլաստերներ՝ արծաթի, ոսկու, պլատինային մետաղների, երկաթի, կոբալտի, ինչպես նաև մետաղների օքսիդներ, ինչպես օրինակ ZnO, TiO2 և այլն։ Նստեցման պայմանները փոփոխելով կարելի է ստանալ բարդ նանոանսամբլներ։

Գազ ֆազից քիմիական նստեցման դեպքում մակերևույթին ադսորբվում են միացության ատոմները և մոլեկուլները, որոնք ձևավորվում են քիմիական ռեակցիայաի արդյունքում, որոնք տեղի են ունենում բարձր ջերմաստիճանում՝ 600oC-ից մինչև 1000oC։ Ռեագենտները, որոնք օգտագործվում են քիմիական միացության նստեցման համար, անվանում են պրեկուրսորներ։ Տիպիկ էքսպերիմենտներում պրեկուրսորները ցնդում են տաքացման դեպքում և իներտ գազի ճնշման տակ ուղղում են դեպի ռեակցիոն զոննա, որտեղ և տեղի է ունենում նրա փոխարկումը նանոմիացության։

«Ներքևից վերև» քիմիական սինթեզի մեթոդը

Ածխածնային նանոխողովակների համար որպես պրեկուրսորներ հանդես են գալիս մեթանը կամ բենզոլը։ Թերմիկ դիսոցման դեպքում մեթանը կատալիզատորների ներկայությամբ առաջացնում է ածխածնի ատոմներ.

CH₄ = C + 2H₂

Ածխածնի ատոմները անջատվում են սուբստրատի մակերևույթին, դիֆուզվում են մետաղների նանոմասնիկների միջով և կապվում են նանոխողովակին, որը աճում է ներքևից վերև։

Տես նաև

• Նանոմեխանիկա
• Նանոտեխնոլոգիա