АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Влияние размеров частиц на их механические, каталитические и биологические свойства. Привести примеры.

Магнитные свойства. Свойства наночастиц магнитных материалов существенно отличаются от свойств макрочастиц. Размерный эффект проявляется в значительном понижении точки Кюри. Для наночастиц Fe, Co, Ni размером менее 10 нм точка Кюри находится на сотни градусов ниже, чем для макроскопических образцов. Магнитные размерные эффекты проявляются очень ярко у кластеров Pd. Макроскопические образцы Pd обладают парамагнетизмом и их магнитная восприимчивость почти не зависит от температуры вплоть до температуры жидкого He. При значительном уменьшении размеров кластера они становятся диамагнитными. Размер дисперсных частиц влияет также на коэрцитивное поле или силу (Нс, А/м), являющейся одной из важнейших характеристик ферромагнитных материалов. При Нс 100 А/м материалы считаются магнитомягкими, при Нс 100 А/м магнитожесткими. Коэрцетивное поле нанокластеров (d 4 нм) железа почти нулевое. Такие низкие значения обусловлены тепловыми колебаниями. При комнатной температуре для железа коэрцитивное поле максимально для кристаллов размером 20-25 нм. Поэтому нанокристаллические ферромагнетики можно использовать для получения запоминающих устройств с большой памятью. Очень перспективно использование нанодисперсных намагниченных частиц диаметром около 10 нм для приготовления ферромагнитных жидкостей – коллоидных растворов, в которых дисперсной фазой являются наномагнитные частицы, а дисперсионной средой – жидкость, например вода или керосин. При наложении внешнего магнитного поля наночастицы начинают двигаться и включают в движение окружающую жидкость. Перспектива промышленного использования этого эффекта весьма велика (например, для охлаждения мощных трансформаторов в электротехнике, для магнитного обогащения руд, для очистки водных бассейнов от нефтяных загрязнений). В области медицины магнитные наночастицы могут использоваться, в частности, в качестве доставщиков лекарственных средств направленного действия.

Каталитические свойства. Высокодисперсные и особенно нанодисперсные твердые частицы металлов и оксидов металлов имеют высокую каталитическую активность, что позволяет проводить различные химические реакции при сравнительно невысоких температурах и давлениях. Приведем несколько примеров, показывающие каталитические свойства высокодисперсных частиц.

1. Наночастицы Au размером 3 - 5 нм обладают высокоспецифической каталитической активностью. Ее появление сопряжено с переходом кристаллической структуры золота от гранецентрированной кубической в более крупных частицах к икосаэдрической структуре наночастиц. Важнейшие характеристики этих нанокатализаторов (активность, избирательность, температура) зависят от материала подложки, на которую их наносят. Кроме того, очень сильно влияют даже следы влаги. Наноразмерные частицы Au эффективно катализируют окисление монооксида углерода при низких (до -70 °С) температурах. Вместе с тем они обладают очень высокой избирательностью при восстановлении оксидов азота при комнатной температуре, если частицы золота нанесены на поверхность оксида алюминия.

2. Высокодисперсный катализатор на основе нестехиометрического оксида церия значительно снижает температуру восстановления оксида cepы (IV) под действием монооксида углерода. Кроме того, этот катализатор обладает более высокой стойкостью, чем обычные катализаторы на основе оксида церия, по отношению к отравлению участвующими в реакции потоками водяного пара и диоксида углерода.

3. Повышенную каталитическую активность имеют не только ультрадисперсные частицы, но и тонкие слои катализатора, если их толщина составляет несколько нанометров. Такая высокая ак-тивность обнаружена, например, для нанослоев MoSi2 в реакции гидродесульфуризации (RSH + H2 → RH + H2S; RSSR’ + 2H2 → RH + R’H + H2S + S; RSR’ + 2H2 → RH + R’H + H2S). Максимальная каталитическая активность достигается при высокой степени упорядоченности наноструктуры кристаллического MoSi2. Избирательность этого катализатора регулируется числом монослоев MoSi2. Каталитическую избирательность можно также регулировать изменением структуры наночастиц MoSi2 в одном (по толщине слоя) или двух измерениях, что открывает весьма перспективное направление в гетерогенном катализе органических реакций.

4. Горение метана на воздухе стабильно при температурах выше 13000C. Однако при таких температурах выделяются вредные оксиды азота, возникает смог. В этой связи актуален поиск новых катализаторов окисления метана. Синтезирован новый катализатор на основе гексаалюмината бария, который понижает температуру реакции горения метана до 4000C. Для его получения используют обратимые микроэмульсии на основе изооктана, воды и ПАВ. Соли Ba(OC3H7)2 и Al(OC3H7)3 растворяют в изооктане и смешивают с микроэмульсией при комнатной температуре. В результате такой обработки получаются твердые кристаллические наноразмерные частицы гексаалюмината бария, обладающие высокой каталитической активностью. Дополнительная модификация его оксидом церия дает возможность получить композит, который обеспечивает горение метана при температуре ниже 4000 С.

5. Нанозолото по своей химической активности во много раз превосходит обычное. Так, частицы золота, содержащие 55 атомов (диаметр 1,4 нм), нанесенные на поверхность TiO2, служат хорошими катализаторами селективного окисления стирола кислородом воздуха до бензальдегида:

C6H5-CH=CH2 + O2 C6H5-CH=O + H2O

тогда как частицы диаметром более 2 нм, а тем более обычное золото совсем не проявляют каталитической активности.

Высокая каталитическая активность металлических кластеров связана с их строением. Как правило, их поверхность имеет достаточно сложную структуру; на ней есть и очень острые выступы, и плоские участки. Локальные положительные заряды в кластере распределяются по-разному. В результате на поверхности кластерного катиона существуют сильные льюисовские центры (в вер-шинах полиэдрической структуры), более слабые льюисовские центры (на ребрах), положительно заряженные атомы металла с наименьшей электрофильностью (на гранях).

Биологические свойства. Высокая химическая активность наночастиц позволяет использовать их в ряде биологических и медицинских процессов. Одно из актуальных направлений — защита от некоторых видов биологического оружия. Например, термостойкие возбудители сибирской язвы эффективно уничтожаются в воздухе при комнатной температуре распылением наночастиц оксида магния. Этот эффект тем сильнее, чем меньше размер наночастиц.

По сравнению с ионами серебра наночастицы серебра в тысячу раз эффективнее в борьбе с бактериями и вирусами. Экспериментально было показано, что малые концентрации наночастиц серебра способны уничтожить все известные микроорганизмы, в том числе вирусы СПИДа. Причем действие таких частиц очень избирательно, они уничтожают вирусы, но на обычные клетки они не влияют. В настоящее время их широко применяют в качестве дезинфицирующих и антиаллергенных веществ в составе зубных паст, косметических средств, в различных тканях, особенно медицинского назначения, бинтах, в красках, фильтрах.

Наночастицы оксида цинка хорошо поглощают и рассеивают электромагнитное, ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое излучение. В частности, на их основе получены продукты, которые защищают от ультрафиолетового излучения (солнцезащитные крема, стекла, синтетические волокна, ткани и т.д.).

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 1082 | Нарушение авторских прав