АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Принцип работы атомно-силового микроскопа.

Атомарно-силовой микроскоп (АСМ), используются измерения межатомарных сил. В АСМ зонд прикреплен к концу плоской пружины (кронштейна) и его положение определяется величиной межатомных сил, возникающих между острием зонда и атомами поверхности. Таким образом, в этом приборе измеряемой физической величиной (т. е. параметром) выступают непосредственно силы взаимодействия между атомами, величина которых определяется «шероховатостью» конкретного участка поверхности в точке измерения. Эти силы являются «отталкивающими» по характеру, а их величина может быть выражена в единицах силы, т. е. ньютонах (естественно, в абсолютном значении эти силы соответствуют лишь нано-ньютонам, нН). В остальном принцип действия атомарно-силового микроскопа остается прежним, т. е. поверхность сканируется зондом (с тщательной регистрацией положения и контролем расстояния между зондом и образцом), после чего полученная информация переводится в изображение.

АСМ позволяет получать изображение поверхности с очень высокой точностью (вплоть до ангстремов), превышающей точность сканирующих туннельных микроскопов. Это объясняется тем, что в АСМ нет ограничений на близость острия зонда к исследуемой поверхности, так как АСМ применяют для изучения материалов-диэлектриков, в которых токи не возникают. Изобретение АСМ стало очень важной вехой в изучении атомарной структуры непроводящих материалов вообще. Кроме этого, точность АСМ может быть повышена за счет улучшения характеристик материала кронштейна (плоской пружины). Возникающие в кронштейне слабые упругие напряжения регистрируются с достаточно высокой точностью (около 1 нН), что соответствует атомарному уровню разрешения для структуры. Информация о поверхности проводящих материалов, получаемая с помощью АСМ, может рассматриваться как дополнительная по отношению к результатам измерений сканирующим зондовым микроскопом, что создает дополнительные возможности для анализа и сравнения данных. В самое последнее время АСМ стали применять в экспериментах по измерению некоторых других характеристик поверхности (например, магнитных или электростатических сил, а также адсорбционных и иных параметров Расстояние между атомами в решетке составляет около 0,4 нм, что вполне достаточно для их индивидуальной идентификации.

15. Применение нанотехнологий в технике, медицине, катализе.

Нанороботы — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел американский учёный Эрик Дрекслер. Вопросы разработки нанороботов и их компонентов рассматриваются на профильных международных конференциях.

Молекулярные роторы — синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

Плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии — наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира". На первом этапе развитие нанотехнологии определялось в основном созданием устройств зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога.
Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.
Но постепенно все чаще упоминаются как перспективная область применения нанотехнологии медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.
Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана Р. Фейнманом. Но только в последние несколько лет предложения Фейнмана приблизились к реальности. Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

§ Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мебраны с наноотверстиями;

§ Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);

§ Микро- и нанокапсулы;

§ Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;

§ Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;

§ Наноинструменты и наноманипуляторы;

§ Микро- и наноустройства различной степени автономности.

§ Рей Курцвейл - к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку, по оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году.Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так ассеблеры практически сольются с нами.

2БЛОК:

1. Физические свойства нанодисперсных систем. Зависимость термодинамических (температуры, энтальпии и энтропии плавления, теплоемкости) свойств от размеров наночастиц

Особенность высокодисперсных и ультрадисперсных частиц заключается в том, что их свойства зависят не только от хим. состава образующего их в-ва, но и от размера частиц. Зависимость св-в от размера частиц называют размерным, или масштабным эффектом. Проявление этого эффекта во многом связано с тем, что с уменьшением размеров частиц доля поверхностных атомов по сравнению с содержанием их в объеме возрастает. Увеличение поверхностных атомов сопровождается ростом поверхностной-избыточной энергии, в рез-те чего активность частиц возрастает. Размерные эффекты, наблюдаемые в дисперсных системах, можно разделить на 2 большие группы.

1. Эффекты, связанные с кривизной поверхности жидкой или газовой дисперсной частицы:

а) зависимость поверхностного натяжения жидкости от радиуса капли или газового пузырька в жидкости;

б) зависимость давления насыщенного пара (рr) от радиуса и знака кривизны (выпуклая или вогнутая) поверхности жидкости на границе с газом; в) зависимость капиллярного давления (рс) от радиуса поверхности жидкости.

2. Изменения физ. и хим. св-в, обусловленные малыми размерами дисперсных частиц; от размера частиц, в частности, зависят:

а) кристаллическая структура и степень симметрии кристаллической решетки; б) термодинамические параметры: теплоемкость, температура плавления (кристаллизации), температура Дебая; в) механические свойства: прочность и пластичность; г) магнитные и электрические свойства; д) химические свойства, например каталитическая активность.

Термодинамические свойства. Понижение Т-ры плавления. При уменьшении размеров тв. дисперсных частиц наблюдается постепенное снижение Т-ры плавления (Тпл) различных в-в. Для металлических частиц этот размерный эффект проявляется достаточно сильно в интервале размеров d< 50 нм. Н-р, для частиц золота (рис. 1) разность Т-р T = Tпл,0 - Tпл,d становится заметной при d < 20 нм (Tпл,0, Tпл,d Т-ра плавления макроскопического и высокодисперсного образца соответственно). В интервале d < 5 нм понижение Т-ры плавления составляет сотни градусов; при d = 2 нм имеем Т= 1000 град. Значительное понижение Т-ры плавления обнаружено также для свинца, висмута, олова, индия.

Рисунок 1. Зависимость Т-ры плавления (Тпл,d)

нанодисперсных частиц золота от их размера (d); пунктиром показано изменение Т-ры плавления макроскопического образца золота

Т.о., размер наночастиц можно рассматривать как своеобразный аналог Т-ры. Поэтому при исп-нии правила фаз для высокодисперсных систем нужно вводить дополнительную переменную величину (степень свободы). Понижение Т-ры плавления высокодисперсных частиц наглядно объясняет следующая упрощенная модель процесса плавления. Предполагается, что при подводе теплоты кристалл начинает плавиться, когда амплитуда (0) колебаний атомов в кристаллической решетке будет соизмерима с межатомным расстоянием (b). Т-ра плавления макроскопических кристаллов соответствует в этой схеме условию 0~b. Для атомов на поверхности кристалла амплитуда колебаний d >0. Уменьшение размеров частиц приводит к увеличению относительной доли поверхностных атомов в данной частице. При d=3 нм эта доля достигает уже 50%. В результате условие d > b достигается при более низкой Т-ре плавления. Для теоретического описания размерных эффектов при плавлении используют следующие уравнения:

(1); (2); (3)

где энтропия плавления соответственно макроскопического и высокодисперсного образца исследуемого вещества, Дж/(моль∙К); Hпл,0, Hпл, d энтальпия плавления соответственно макроскопического и высокодисперсного образца, Дж/моль; R-универсальная газовая постоянная; - минимальный размер частицы, при котором отсутствуют структурные различия между тв. телом и жидкостью; при размере d0 различия энтальпии и энтропии макроскопической фазы и дисперсной частицы равны нулю. Рассмотрим сравнительно большой интервал, когда d/d0 1, т.е. d> 5—10 нм. При этом условии имеем

(4)

Тогда при разложении экспоненты в уравнении (3) в ряд, достаточно учесть только первые два члена ряда: (5)

Уравнение (5) имеет глубокий физический смысл. Оно показывает, что изменение

термодинамического параметра (в данном случае энтальпии плавления) происходит обратно пропорционально размеру дисперсной частицы d:

Такой характер размерных эффектов обусловлен тем, что величина l/d~ S/V, т.е. представляет отношение площади поверхности частицы S к ее объему V; таким образом, термодинамический параметр определяется дисперсностью частиц. Поэтому чем меньше размер d, тем больше доля поверхностных атомов в данной дисперсной частице. Теплоемкость. Влияние размера металлических наночастиц на теплоемкость проявляется особенно резко в области очень низких температур. Например, для кластеров палладия температурная зависимость теплоемкости отклоняется от соответствующей зависимости с = f (T) для макроскопических образцов. Эти различия растут по мере уменьшения числа атомов палладия в кластере. Т. о., уменьшение размеров дисперсных частиц влияет на их тепловые св-ва аналогично уменьшению Т-ры.

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 939 | Нарушение авторских прав