Последние разработки в области нанотехнологий университета Лехай, США Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Е. К. Нурмеева

ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ УНИВЕРСИТЕТА ЛЕХАЙ, США

Ключевые слова: нанотехнологии, наноматериалы, нанообъекты, эмульсии, частицы, стабилизаторы.

Статья, касающаяся новейших разработок в области нанотехнологий, написана на основе материалов, полученных в результате посещения университета Лехай, находящегося в городе Бетлехем, штате Пенсильвания, США. Нанотехнологии прочно закрепились во всех областях науки и в скором времени станут несомненной составляющей нашей повседневной жизни. В статье описана краткая история развития нанотехнологий, состояние разработок, ведущихся в различных направлениях, на данное время.

Keyword: nanotechnologies, nanomaterials, nanoobjects, emulsions, particles, stabiliser.

The article concerning present-day developments in the field of nanotechnologies was written on the base of the materials which were received as the result of visiting Lehigh University in the city of Bethlehem, Pennsylvania, USA. Nanotechnologies have now acquire great significance in many fields of science and soon will certainly become an important part of our everyday life. The article gives the short history of the development of nanotecnologies and the present-day state of the researches in different fields of science.

Принципиальное значение нанообъектов было ведущих позициях (электроника, оптика, косметика,

подчеркнуто еще нобелевским лауреатом Феурманом в лекции “There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics”, прочитанной на заседании Американского Физического Общества в Калифорнийском технологическом институте в 1959 г. И только в 80-х годах прошлого века с изобретением сканирующего просвечивающего и атомно-силового микроскопов стало возможным изучение наночастиц, которые составляют объекты с линейными размерами от 1 до 100 нанометров. Появилась возможность наблюдать крупные органические молекулы, спирали ДНК и изучать структуру материи на атомарном уровне. Использование с конца 80-х годов этих видов электронной микроскопии для изучения полимеров, керамики и биологических тканей привело ученых к мысли о поиске возможностей манипулировать атомами и молекулами, а позднее - и наноразмерными объектами. Наноматериалы, благодаря своей структуре, обладают новыми, более ярко

выраженными, свойствами, чем традиционные. В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в последние 10 -15 лет. Однако уже 15 -20 лет исследования наноструктур являются общим направлением для многих классических научных дисциплин. Химия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования новых нано материалов с заданными свойствами, нередко превосходящими по качеству природные материалы. Новые подходы к проблеме получения материалов с заданными свойствами привлекают все большее внимание специалистов в медицине, фармакологии, энергетике, электронике, химической и нефтехимической промышленности, материаловедении, оптике, экологии, при создании новых видов топлива, новых методов химической и биологической защиты и др. В ближайшее время нанотехнологии станут составной частью нашей повседневной жизни, а во многих областях уже сегодня они надежно закрепились на

фармакология, материаловедение) [1] .

Среди патентов, касающихся

нанотехнологий, преобладают (более 30%) описания разработок в области химии, катализа и фармацевтики, и около 15% посвящены электронике, являющийся частью объемного материала.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на наноуровне. Сущность нанотехнологии состоит в способности работать на атомном, молекулярном и супрамолекулярном

уровне и создавать материалы с новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малым размерам элементов их структуры. Таким образом, наноматериалы - это контролируемое упорядочение нанообъектов. Изучая нанообъекты, исследователи накапливают знания и опыт для целенаправленного усовершенствования свойств материалов и производства новых материалов с заданными свойствами, в том числе и методом самосборки [2].

Успешно выполнять сложные

экспериментальные проекты помогает

международная интеграция научных и технологических коллективов, как академических и университетских, так и частных компаний.

В университете Лехай реализуется несколько направлений по изучению нанообъектов и созданию нанотехнологий. Первым из направлений безусловно являются работы по созданию и изучению миниэмульсий [2].

Начиная с их открытия 30 лет назад они стали объектом многочисленных исследований, от фундаментальных до прикладных. Этот уникальный тип эмульсий «масло в воде» характеризуется в основном размером капель и относительной стабильностью. Сегодня для создания маленьких частиц размером 50 -500 нанометров применяются мощные дезинтеграторы, а для того, чтобы

поддержать стабильность миниэмульсий против разрушения за счет столкновения или диффузии, используют комбинацию поверхностно-активного вещества и состабилизатора с низким молекулярным весом и высокой нерастворимостью в воде. Низкий молекулярный вес сокатализатора является

ответственным за энергию набухания капель и полимерных частиц. Эти особенности высокой стабильности и энергии частиц отличают

миниэмульсии от обратимых эмульсий и могут быть применены для получения латексов, которые невозможно получить обратимым эмульгированием и эмульсионной полимеризацией. Сюда входит получение искусственных латексов прямым эмульгированием раствора полимера, за которым следует удаление растворителя, получение

синтетических латексов полимеризацией

миниэмульсий мономеров, гибридных латексов

эмульгированием раствора полимера в мономере с последующей полимеризацией и капсулированных латексов. Наиболее современным является использование миниэмульсий при контролируемой радикальной полимеризации , когда получают полимер с узким молекулярно -массовым распределением. В институте исследованы фундаментальные основы образования миниэмульсий и их стабилизации,

механизм и кинетика полимеризации и возможность применения этих знаний на практике.

Полимеризация, которая впоследствии стала называться миниэмульсионной, была предпринята в университете Лехай в 1972 году группой профессора Джона Вандерхофа[3]. Эта идея пришла из ранних наблюдений доктора Югельстада, который, взяв в определенной комбинации анионный эмульгатор и жирный спирт (например лаурилсульфат натрия и цетиловый спирт), использовал их при эмульсионной полимеризации винилхлорида. Было показано, что эмульгированные капли мономера являются важнейшим местом локализации для инициирования процесса полимеризации. Так, был разработан способ получения искусственных латексов с малым размером частиц. Таким же образом можно капсулировать пигмент в полимере, предварительно введя его в эмульсию мономера. В ранних работах не упоминается о мощных эмульсаторах , которые используются сегодня. Эмульсии создавались простым перемешиванием и, тем не менее, были получены мелкие частицы, что говорит об уникальной эффективности системы “эмульгатор - соэмульгатор’’. Сейчас термин «соэмульгатор» используется не только для ПАВ, но и для любого вещества, выполняющего роль диспергатора.

Одним из ранних промышленно выпускаемых продуктов с использованием миниэмульсионной технологии был «Aquacoat», латексная форма целлюлоидного материала, использующегося сегодня для покрытия фармацевтических таблеток.

Важным вопросом при получении латекса из миниэмульсий является - сколько частиц мономера превращается в полимер, сложно проследить за каплями, когда они становятся частицами. Нет точных методов определения распределения капель по

размерам от начала получения до исчезновения в процессе полимеризации.

Сегодня большинство эмульсий готовится одинаковым образом: жестким перемешиванием на мощных смесителях. Предварительно готовится

грубая эмульсия обычным смешением. Для тонкой эмульсии используются специальные

гомогенизаторы фирмы МаПои-ваиИи. Если при этом нет состабилизатора, то мелкие частицы диффундируют в крупные для минимизации внутренней энергии. Низкая растворимость сокатализатора в воде приводит к тому, что он концентрируется на мелких частицах и предотвращает их слипание, т.е. превращение в крупные частицы. Эффективность состабилизатора зависит от его растворимости в воде и молекулярного веса. Довольно эффективным является такой состабилизатор, как гексадекан, который не присутствует на поверхности раздела фаз и не демонстрирует каких-либо взаимодействий с эмульгатором. Его роль заключается в увеличении стабильности миниэмульсии против

диффузионного разрушения. Причиной

стабилизации являются термодинамические факторы, такие как свободная энергия Гиббса мономера, содержащегося в капле, включающей в себя мономер и нерастворимый в воде состабилизатор.

Микроэмульсии - это не самоцель, а путь к цели. А далее основным вопросом при получении искусственных латексов является распределение образовавшихся частиц по размерам. Это одна из основных характеристик латексов. Здесь как раз и востребована новая техника, позволяющая изучать объект на нано-уровне, такая как сканирующий и атомно - силовой микроскопы. Преимуществами атомно - силового микроскопа является высокая степень разрешения на уровне нанометров в условиях опыта, возможность создания 3Б

профиля поверхности, что идеально для предварительных измерений, недеструктивный способ исследования и возможность снимать в жидкой среде, т. е. то, что нужно для исследования микроэмульсий. Появление подобной техники придало новый импульс исследованиям и вывело их на практическое применение.

В КНИТУ для определения размера частиц на нано-уровне успешно используется

просвечивающая электронная микроскопия [4].

Второе направление исследований в области нанотехнологий в университете Лехай -это изучение возможности повышения качества резин за счет введения наполнителя в наноформе. Наиболее подробно изучено введение нано-частиц окиси кремния в эпоксирезины.

Размер частиц окиси кремния колеблется от 23 до 170 нанометров. Ее использование повышает прочность и и напряжение при растяжении (модуль) эпоксирезин, причем влияние не зависит от размера частиц в пределах 23-170 нм. Смешение частиц с микронным размером с нано-частицами в еще большей степени повышают прочность резины

и увеличивают зону пластичности. Подобные же работы проводятся в исследовательских организациях РФ.

Например, использование нано-частиц карбоната кальция для увеличения прочности и снижения клейкости оберточной полиэтиленовой

пленки.

Третье направление включает в себя нанореакторы и наносенсоры. Наночастицы можно рассматривать в качестве своеобразных

"микрореакторов", которые, в зависимости от окружения, могут преобразовывать энергию,

перерабатывать отходы или служить в качестве сенсоров. Использование наносенсоров необходимо для непрерывного контроля над состоянием

окружающей среды или для оптимального управления экологически опасными производственными процессами. Исследователями из Национального Института Стандартов и Технологий США (NIST) совместно с сотрудниками университета Лехай был сконструирован новый наносенсор на основе проводящих полимерных пленок, который может

улавливать газообразные химические соединения.

Сенсор детектирует очень малые концентрации

газообразных химических соединений.

Литература

1. Фостер, Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. Л.Фостер.-М.: Техносфера, 2008 .- 352 стр.

2. Э.М.Муртазина. Нерешенные проблемы

нанотехнологии: химическая обработка с помощью самосборки. Вестник казанского технологического университета.-№15.-2011.-стр.12 -16

3. МоИаше!! S. El -Aasser, E.David Sudol /Miniemulsion: Overview of research and application//JCT Research.-vol.1.-2005.-P. 127

№1.-P 28-35

4. Ugelstad J, El -Aasser M.S., Vanderhoff J.W. Emulsion

Polymerization: Initiation of Monomer Droplets.

/j/Polym.Sci., Polym.Letters Ed.-№11.-1973.- P.503

5. Е.В.Петрова, А.Ф.Дресвянников, А.В.Винокуров, Н.И.Наумкина. Морфология и фазовые превращения наноразмерных частиц гидроксидп марганца, полученного различными способами // Вестник Казан. технол. ун-та. 2010. - №5. - С.66-71.

© Е. К. Нурмеева - ст. препод. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, [email protected].