Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay
  Все выпуски  

Физикохимия поверхности и защита материалов Выпуск 9 (21)


РЕДКОЛЛЕГИЯ ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЮЛЛЕТЕНЬ №9 (21)
+ Международные новости
Наногенератор

Image

На недавней общенациональной встрече Американского химического общества в Солт-Лейк-Сити, Юта были представлены результаты необычных исследований группы ученых из Технологического института (штата) Джорджия (Georgia Institute of Technology).

 Схематичное изображение гибридного наногенератора с микроволоконно-нанопроволочной структурой (Собственность проф. Zhong Lin Wang и д-ра X. D. Wang, Технологический институт штата Джорджия)

Учёные из Джорджии разработали и описывают концепцию преобразования низкочастотных механических вибраций (таких, например, как простые движения тела, биения сердца, движение ветра или даже тока крови) в электрическую энергию путем использования электропроводных нанопроволочек оксида цинка (ZnO). Такие проволочки из ZnO являются пьезоэлектриками, то есть генерируют электрический ток, будучи подвергнуты определенному механическому воздействию. Диаметр и длина использованных проволочек составляли, соответственно, одну пятитысячную и одну двадцать пятую толщины человеческого волоса.

Исследуя механизмы преобразования энергии пьезоэлектриками, ученые сделали вывод о том, что наиболее эффективным был бы генератор, работающий на низких механических частотах и использующий гибкие материалы. Именно нанопроволочки из ZnO удовлетворяли этим требованиям. Большими достоинствами такой технологии будет являться и то, что нанопроволочки легко выращиваются на большом количестве видов подложек (вреди них – металлы, керамика, полимеры, ткани и т.д.), а наногенераторы, созданные таким методом и имеющие правильную упаковку, смогут работать и в воздушной и в жидкостной среде.

По мнению руководителя проекта Жонг Лин Ванга (Zhong Lin Wang) – профессора Школы материаловедения и технических наук Университета, – результаты этого исследования могут найти широкое применение в оборонных технологиях, средствах мониторинга окружающей среды, в биологии и медицине, а также приборах персональной электроники. Новый "наногенератор" может быть использован и в лабораторных и в полевых условиях.

Достаточно простое, но необыкновенно универсальное, устройство "наногенератора", может работать в любых условиях и сколь угодно долго – во всяком случае до тех пор, пока есть движение. Основной сложностью при практической реализации генератора, по мнению проф. Ванга, будет его эффективность, а также выходные мощность и напряжение.

Источники:
1. http://www.physorg.com/…7287591.html
2. http://nanonewsnet.ru


Новые палладиевые частицы для топливных ячеек

Image

Исследователи из США разработали способ получения более чистых наночастиц палладия, позволяющий удвоить их производительность в каталитических реакциях, протекающих в топливных ячейках. Исследователи уверены, что результаты их работы позволят заменить платину палладием в ряде топливных ячеек, увеличивая их экономическую эффективность.

Исследователи разработали способ получения больших активных поверхностей из наночастиц палладия, способных катализировать в топливной ячейке реакции, приводящие к выделению энергии. (Рисунок из JACS, 2009. DOI: 10.1021/ja9004915)

Есть надежда, что топливные ячейки окажутся эффективным решением для создания источников электроэнергии для ноутбуков, мобильных телефонов и даже автомобилей будущего, однако их широкое использование ограничено высокой стоимостью материалов, используемых при их изготовлении.

Самым дорогим компонентом топливной ячейки является металлический катализатор, на котором протекает реакция. В настоящее время в подавляющем большинстве топливных ячеек используют платиновые катализаторы. Палладий дешевле платины примерно в пять раз и обладает сходными каталитическими свойствами, однако, некоторые проблемы с воспроизводимостью каталитических процессов, протекающих на поверхности палладия ограничивают его применение.

Висмадеб Мазумдер (Vismadeb Mazumder) из Университета Брауна, возглавлявший исследования, отмечает, что палладий практически не изучался на предмет использования в качестве катализатора топливных ячеек. Одной из причин такого "игнорирования" он называет то, что большинство методов получения наночастиц палладия приводит к потере каталитических свойств, а металлы-катализаторы в топливных ячейках обычно используются в виде наночастиц, что позволяет увеличить площадь поверхности наночастиц и их эффективность. Дело в том, что обычно при получении палладиевых наночастиц для предотвращения их слипания вводят лиганды, которые с одной стороны стабилизируют наночастицы, а с другой – блокируют их активную поверхность.

Для решения проблемы обеспечения стабильности наночастиц с одновременной доступностью их поверхности Мазумдер использовал олеиламин, который после образования наночастиц нужного размера и закреплении их на носителе может быть удален действием уксусной кислотой, что позволяет получать чрезвычайно чистый катализатор с 40% активной поверхности.

Исследователи изучили свойства новых наночастиц, поместив их в топливную ячейку, производящую энергию за счет окисления муравьиной кислоты до углекислого газа и воды. Частицы оказались в два раза активнее и в четыре раза стабильнее, чем обычные коммерчески доступные наночастицы палладия, что позволяет рассматривать их как реальную альтернативу катализаторам на основе платины.


Источники:

1. JACS, 2009. DOI: 10.1021/ja9004915
2. ChemPort


Неполярная раковина для катионов щелочных металлов

Image

Исследователи обнаружили, что ряд катионов щелочных металлов предпочитает взаимодействовать не с водой, а с неполярными ароматическими молекулами, образуя с ними комплексы типа гость-хозяин.

Катионы щелочных металлов и ароматические молекулы образуют структуры, похожие на раковины, "створки" которых удерживаются водородными связями. (Рисунок из Angewandte Chemie, 2009. DOI: 10.1002/ange.200805789)

Брандан Абрахамс (Brendan Abrahams) с удивлением обнаружил, что генерируемые в воде катионы щелочных металлов предпочитают ароматических окружение.

Водородные связи удерживают две половинки ароматической "раковины" вместе. Створки раковины несут отрицательный заряд уравновешивающий положительный заряд "жемчужины"-катиона, находящегося внутри образованной ароматическими молекулами полости.

Было обнаружено, что катионы рубидия и цезия имеют подходящий размер для того, чтобы разместиться внутри полости. При использовании в экспериментах меньшего по размеру катиона калия комплексы гость-хозяин не образуются, хотя внедрение в ароматическую молекулярную капсулу больших по размеру катионов частично разрушает систему водородных связей, объединяющих ароматические "створки" и в рубидиевых или цезиевых комплексах гость-хозяин они удерживаются лишь парой или даже одной водородной связью. Наблюдение того, что "молекулярная раковина" образуется даже при разрушении системы водородных связей, говорит о важной роли электростатического взаимодействия гостя-катиона с хозяином-ароматикой.

Хотя пока исследователи из Австралии не нашли практического применения своему открытию, Абрахамс уверен, что это дело дальнейших исследований, отмечая, однако, что пока ароматические комплексы щелочных металлов, образующиеся в воде остаются просто любопытным химическим феноменом.


Источники:

1. Angewandte Chemie, 2009. DOI: 10.1002/ange.200805789
2. ChemPort


Новый тип энергетического привода

Image

Исследователи из Южной Кореи разработали новый тип энергетического привода (actuator), конвертирующего энергию в механическое движение. Новое устройство содержит искусственный опал

Цвет спирального энергетического привода зависит от угла зрения. (Рисунок из J. Mater. Chem., 2009, 19, 1956)

Для получения нового привода Квонг-Ун Джонг (Kwang-Un Jeong) из Национального Университета Чонбук поместили коллоидный оксид кремния в воду, где этот оксид образует монокристаллический опал толщиной 100 мкм. Полученный монокристалл был покрыт слоем полидиметилсилоксанового полимера, после чего полученную систему внедрили в слой полиуретан-полигидроксиэтилметакрилата.

Полученную композицию помещали в различные растворители, было обнаружено, что поведение привода зависит от гидрофобности растворителя. В гидрофильных растворителях полоска из композитного материала образует правозакрученную спираль, а в гидрофобных – левозакрученную. Джонг отмечает, что эффект закручивания объясняется различием в набухании слоев различных полимеров. Он показал, что правозакрученные спирали в зависимости от угла зрения воспринимаются окрашенными в различные цвета.

В соответствии с работой Джонга, энергетические приводы могут менять форму даже при взаимодействии с растворителями, находящимися в газообразном состоянии. Он отмечает, что новый материал может найти широкое применение – эти разноцветные, образующие спирали фотонные переключатели могут использоваться в качестве механических приводов и электрических приборов, а также оптических компонентов новых устройств. Главная цель исследователей из Кореи разработка сложных трехмерных объектов, из двумерных строительных блоков с программируемым строением.

Источники:

1. J. Mater. Chem., 2009, 19, 1956, DOI: 10.1039/b822980p
2. ChemPort


ЯМР для лучшего анализа реакционной смеси
 

Image

Исследователи из Финляндии разработали новую методику получения ЯМР спектров индивидуальных соединений, содержащихся в составе смеси.

Они заявляют, что разработанный ими метод, применимый к большому количеству органических соединений, может помочь химикам в быстром анализе продуктов реакций, а также – в изучении смесей соединений, выделяемых из природных источников.

Результаты DOSY-ЯМР реакционной смеси в отсутствии (сверху) и в присутствии (снизу) PVP. (Рисунок из Org. Lett., 2008, DOI: 10.1021/ol9001398)

Сами Хейккинен (Sami Heikkinen) из Университета Хельсинки, возглавлявший исследование, отмечает, что главная причина, по которой были начаты их эксперименты в области анализа реакционных смесей методом ЯМР, заключалась в перспективности идеи получения ЯМР спектра продукта без стадии очистки. Он уверен, что предложенный им способ может быть применим к любой смеси, которую можно разделить методом колоночной хроматографи.

Хейккинен с коллегами позиционируют свой подход как улучшение уже существующего метода диффузно-упорядоченной спектроскопии ЯМР [diffusion-ordered spectroscopy (DOSY)], позволяющее получить раздельные спектры компонентов смеси на основании различия скорости их диффузии. Проблема метода DOSY часто состоит в перекрывании сигналов, затрудняющем их отнесение к различным компонентам реакционной смеси.

Введениеv дополнительного компонента в образец для ЯМР – поливинилпирролидона [polyvinylpyrrolidone (PVP)] исследователям удалось уменьшить скорость диффузии различных компонентов в смеси-образце, что позволило получить спектры с лучше разрешенными пиками. Недорогой, коммерчески доступный полимер играет роль неподвижной хроматографической фазы, связываясь водородными связями с более полярными компонентами смеси, увеличивая различие в скорости диффузии полярных и неполярных соединений.

Крег Баттс (Craig Butts), эксперт по ЯМР из Университета Бристоля отмечает простоту нового подхода, отмечая, что его применение позволяет ближе подойти к решению проблемы получения спектров индивидуальных соединений непосредственно из смеси. В то время как другие исследовательские группы пытались разрешить спектры ЯМР DOSY в горизонтальном направлении, Хейккинен пытался осуществить "вертикальное" разрешение.

Новый подход может помочь химикам-органикам более эффективно следить за протеканием реакций, извлекая больше данных из анализа реакционных смесей. Хотя новый подход и нельзя применить ко всем без исключения органическим соединениям (углеводороды, например, не образуют водородные связи с PVP), исследователи из Хельсинки уверены, что он будет удобен для анализа многих типов смесей, включая смеси, выделяемые из природных источников.

Источники:

1. Org. Lett., 2008, DOI: 10.1021/ol9001398
2. ChemPort


Графеновые пленки позволят создать гибкую электронику
 

Image

Профессор Бьюн Хе Хонг (Byung Hee Hong) из Передового института нанотехнологий при Сункьюнкванском университете (Sungkyunkwan University) и доктор Джа-Йонг Чу (Jae-Young Choi) из Передового технологического института компании Samsung совместно разработали новый метод создания крупноразмерных графеновых пленок, готовя почву для растягиваемых прозрачных электродов и делая производство прозрачных гибких дисплеев еще немного ближе к реальности

На рисунке: Растягиваемая электронная бумага
 

Эта технология позволяет выполнить электрические цепи на крупноразмерной графеновых пленках для создания растягиваемых прозрачных электродов. Одно из направлений использования таких электродов заключается в создании образцов, которые могут принять различную форму или даже сплетены, причем неограниченных размеров. Будущие приложения этой технологии включают компьютеры в виде одежды, гибкие прозрачные дисплеи, сенсорные панели, складную электронную бумагу и трансформируемую электронику.

В 2004 году исследователи из Великобритании впервые в мире разработали базовую технология производства графена. Графеновые пленки были совершенно новым материалом. Однако они были выполнены в микронном размере, что ограничивало их широкое использование в различных прогрессивных приложениях, таких как производство дисплеев и полупроводников. Для решения этой проблемы группа исследователей воспользовалась технологией химического осаждения паров (chemical vapor deposition, CVD) для получения графеновых пленок. Эти пленки выполнены уже в сантиметровом масштабе и демонстрируют более высокие электронные и механические свойства в сравнении другими графеновыми образцами, имеющими те же размеры. Эти особенности дают возможность создать гибкие электронные устройства, такие как встроенные в одежду компьютеры, еще немного раньше.

Графеновые пленки, как ожидают, позволят создать прототип складываемого дисплея. Дело в том, что графен обладает стабильной углеродной структурой и высокой химической стабильностью, что обуславливает высокие электрические свойства. Перенос электронов в графене происходит в 100 раз быстрее, чем в кремнии, тепловыделение при этом находится на низком уровне, и простая технология выполнения наношаблона позволит управлять полупроводниковыми свойствами. Следовательно множество проблем, связанных с основанными на кремнии устройствами, могут быть решены.

Исследователи создали однослойную графеновую пленку. Они использовали CVD-технику для укладки графеновых пленок на никелевую подложку. Электрические свойства полученных пленок соответствуют микронным графеновым пленкам. Эти пленки прозрачны и могут быть согнуты и растянуты без потери электрических свойств. Хонг ожидает, что прозрачные электроды станут первой областью применения графена, где он заменит оксиды индия и олова (indium tin oxide, ITO), которые часто применяются для создания прозрачных электродов в плоских дисплеях, сенсорных экранов и солнечных батарей. При этом ITO отличается хрупкостью, а графен является более гибким материалом, и он позволяет получить большую степень прозрачности.

"Samsung Electronics планирует расширить распространение связанных с графеном технологий в таких областях, как сверхвысокоскоростная память, прозрачные гибкие дисплеи и солнечные батареи нового поколения", — говорит Хонг.

Источники:

Гидрофобные и флуоресцирующие наноалмазы

Image

Ученые из университета Drexel University создали новый тип наноалмазов, имеющих очень гидрофобные свойства, а также проявляющих сильную флуоресценцию.

Наноалмазы (НА) представляют собой ультрадисперсную разновидность углеродной фазы. Эти наночастицы имеют кристаллическую решетку типа алмаза с множеством поверхностных дефектов, которые образуют высокополярные группировки органического типа. Наноалмазы были независимо открыты несколькими научными группами в Советском Союзе и по сей день являются предметом активного изучения в России. Возросшая популярность наноструктур делает очень привлекательной разработку технологических применений НА.

Получение углеродных частиц со структурой алмаза при высоком давлении и температуре, начавшееся в 50-х годах прошлого века, эволюционировало в детонационную технологию получения НА. Сырьем служит углерод, входящий в состав взрывчатых веществ, далее наночастицы размером около 5 нм очищают с помощью азотной кислоты и отмывают для получения неагрегированных ультрадисперсных систем. Детонационное производство НА является относительно недорогим.

Наноалмазы имеют большую удельную поверхность и, как показали исследования, проявляют ряд необычных свойств. С помощью модификации поверхности наноалмазов эти наночастицы превращаются в превосходные агенты для доставки лекарств (они гораздо меньше в размерах используемых в биомедицине липосом и полимерсом и не токсичны); также можно создавать на их основе нанокомпозиты и антипригарные покрытия, абразивные составы, адсорбенты, элементы электроники и пр.

Обычно жидкие системы с наноалмазами создаются на основе полярных растворителей, таких как вода или спирты. Однако технология работы с полимерами требует, как правило, гидрофобных условий.

В журнале Американского Химического Общества (J.A.С.S.) недавно опубликована работа, в которой описывается получение высоко гидрофобных НА. Вадим Мочалин (Vadym Mochalin) и Юрий Гоготси (Yury Gogotsi) из Дрексельского Университета (Drexel University, США) модифицировали частицы НА гидрофобными молекулами октадециламина (ODA). Стоит отметить, что ODA активно используется для предотвращения коррозии в бойлерах. Модифицированные наночастицы становятся абсолютно несмачиваемыми водой, спиртами и другими гидрофильными растворителями и великолепно смачиваются маслами, продуктами нефтепереработки и растворами полимеров. Такое новое свойство НА очень востребовано и применимо при введении наноалмазных добавок в минеральные масла, используемые для смазки и уменьшения износа двигателей.

Image

 

Слева на рисунке: схема модификации поверхностных карбоксильных групп НА октадециламином; справа: модифицированная гидрофобная наночастица (НА).


Другое интересное свойство модифицированных с помощью ODA наноалмазов – их способность к чрезвычайно интенсивной флуоресценции, которую можно увидеть невооруженным глазом в растворе, содержащем всего лишь 0.004 %масс. НА. Механизм этого явления еще предстоит изучить, а флуоресцентные НА уже сейчас можно использовать в биомедицинских диагностических приложениях.

Основное преимущество НА для использования в биомедицинских целях – это отсутствие токсичности, поскольку зарекомендовавшие себя в таких приложениях флуоресцентные наночастицы, называемые квантовыми точками, из-за токсичности не могут широко применяться in vivo. Гидрофобные флуоресцентные НА открывают новые пути визуализации клеточных мембран и других гидрофобных компонентов биологических систем.

Авторы работы отмечают, что подобным способом можно модифицировать и другие углеродные наночастицы.

Источники:
1. Nanodiamonds exhibit blue fluorescen
2. Wet Chemistry Route to Hydrophobic Blue Fluorescent Nanodiamond
3. Наноалмазы
4. http://www.nanonewsnet.ru
Краевые эффекты в графене
 
Image

Теоретически давно предсказано, что электронная структура квантовых точек и нанолент из графена существенно зависит от их размеров и от кристаллографической ориентации их краев, однако эти предсказания долго не удавалось подтвердить экспериментально

Рис.1. Квантовые точки из графена с относительной долей краевых участков типа “зигзаг”, равной 0.65 (a) и 0.44 (b)

В статье [1] представлены результаты исследования различных наноструктур из графена (рис. 1), которые показывают, что теоретики правы. Так, например, квантовые точки с размерами 7–8 нм являются металлическими, что связано с наличием в них краевых состояний (аналога поверхностных состояний в объемных образцах).

В полупроводниковых квантовых точках ширина запрещенной зоны Eg зависит от их минимального поперечного размера L по закону Eg = (1.57 ± 0.21)/L1.19±0.15 (где Eg измеряется в эВ, а L – нм) – в полном соответствии с теоретической зависимостью Eg = 1.68/L. В нанолентах шириной 2–3 нм и длиной 20–30 нм, на краях которых удельная доля зигзагообразных участков больше, чем “кресельных”, величина Eg меньше, чем в нанолентах такой же ширины, но с “кресельными” краями. Полученные в [1] данные важны для проектирования наноэлектронных устройств на основе графена.

Источники:

1. K.A.Ritter, J.W.Lyding, Nature Mater. 8, 235 (2009)
2. "ПерсТ": Краевые эффекты в графене
3. http://www.nanonewsnet.ru

Лазерно-интерференционная литография дает исключительно высокое разрешение и быстро 

Лазерно-интерференционная литография (ЛИЛ) с использованием лазеров высокой интенсивности предлагает достаточно простой и стоимостно эффективный метод записи структур большой площади с разрешением много выше 5 нм без применения резиста и сложного многопереходного технологического процесса.

Конечные пользователи литографических технологий в промышленности последнее время несколько обескуражены замедлением темпов повышения разрешения в методах нанолитографии. Основные причины этого лежат в неприемлемо высокой стоимости технологии или в невозможности контроля качества процессов в нанометровом диапазоне. На сегодня существует довольно ограниченное число литографических процессов для прямого формирования наноструктур, которые включают в себя ионно-лучевую литографию, электронно-лучевую литографию и литография сканирующим пером. Всем из них свойственна низкая скорость записи, требующая высокой механической и электрической стабильности систем.

Результаты экспериментальных исследований, где международная группа ученых достигла требуемого качества наноструктур с деталями менее 5 нм на полупроводниковых подложках, опубликованы в журнале Nanotechnology (Ordered nanostructures written directly by laser interference).

В ходе эксперимента были реализованы четырехлучевые интерференционные картины регулярных матриц отверстий в подложках из арсенида галлия (GaAs), покрытых пленкой диоксида кремния (SiO2). Картины записывали на подложки напрямую. Самая маленькая деталь была неразличима с помощью атомно-силового микроскопа, имевшего разрешение 5 нм, а это указывает на то, что размер этой детали изображения был меньше 5 нм. Продолжительность всего процесса изготовления наноструктуры в подложке, включая обработку изображения, составляла менее 5 минут

Данные исследования процессов лазерно-интерференционной литографии осуществляются в рамках проекта European FP6 Project научно-исследовательских работ Development of lithography technology for nanoscale structuring of materials using laser beam interference (DELILA) под эгидой и при финансировании Европейского Сообщества. В проекте принимают участие научно-исследовательские организации Финляндии, России, Великобритании, Испании, Франции. Общее руководство работами осуществляет доктор Шангси Пенг (Changsi Peng) из Научно-Исследовательского центра Оптоэлектроники Технологического Университета Тампере, Финляндия (Optoelectronics Research Centre – ORC, Tampere University of Technology, Tampere, Finland).

Исследователи полагают, что ЛИЛ имеет все возможности стать ключевой технологией в нанолитографии. По сравнению с конкурирующими оптическими методами, ЛИЛ существенно выигрывает в разрешении, а при сравнении с другими методами лучевой литографии – в низкой стоимости и высокой эффективности. Лазерно-интерференционная литография имеет и хороший производственный потенциал, что важно для поддержания высокой скорости прогресса в данной области.

Источник(и):
1. http://nanotechweb.org/…e/tech/38274
2. http://www.nanonewsnet.ru

Магнетизм и свойства железосодержащих сверхпроводников
 Image

С открытия высокотемпературных сверхпроводников нового типа прошел уже почти год, однако удовлетворительное объяснение свойств проводимости материалов на основе железа пока еще не было дано.

На ежегодном собрании членов Американского Физического Общества исследователи из Национального Института Стандартов и Технологий США (NIST) заявили, что приблизились к разгадке.

Исследователи из NIST продемонстрировали, что ключевую роль в кристаллической структуре сверхпроводников на основе пниктогенидов железа играет магнетизм. (Железо обозначено пурпурным; мышьяк – желтым; кальций – зеленым). (Рисунок: NIST)

Исследователи подтвердили, что магнетизм является наиболее значимым фактором, управляющим физическими свойствами пниктогенидов железа, материалы из которых обладают чрезвычайно малым сопротивлением при температуре до 56 К. Пниктогениды железа составлены из регулярно чередующихся слоев железа и других элементов.

Исследователи продемонстрировали, что без учета магнитных свойств результаты квантово-химических расчетов строения пниктогенидов железа не соответствуют получаемым в лаборатории экспериментальным результатам. Однако учет в расчетной модели магнитного фактора приводит к хорошей согласованности теории и эксперимента. Руководитель исследований, Танер Илдырим (Taner Yildirim) говорит о том, что последнее обстоятельство дает возможность обоснованно утверждать то, что магнетизм является важным фактором, определяющим сверхпроводимость новых материалов. Он утверждает, что определение механизма сверхпроводимости пниктогенидов железа может оказаться важным для решения загадки, связанной с высокотемпературной проводимостью других материалов и послужить базой для разработки новых материалов, сверхпроводимость которых будет проявляться при еще более высоких температурах.

Источники:

1. NIST press release, Phys. Rev. Lett. 101, 057010 (2008) (arXiv:0804.2252)
2. ChemPort


Вы получили это сообщение, потому что Вы подписаны на получение информации и от редколлегии журнала "Физикохимия поверхности и защита материалов" http://m-protect.ru. 2007-2009.

В избранное