Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100нм. Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Например, у наноматериалов золоты наблюдать изменение тепло- и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону её уменьшения.
Чистое золото — мягкий металл жёлтого цвета с атомным номером 79. Структура решётки — кубическая гранецентрированная типа показана на Рис.1. Параметры решётки а=b=c=4,0781 Å.[1]
Рис.1 Структура решётки золоты
После анализа его обратная структура является объёмно-центрированной показана на рис.2 параметры решётки b1=b2=b3=2π/a=1.53*1010.
Рис.2 Обратная структура решётки золоты
Зона Бриллюэна — отображение ячейки Вигнера-Зейтца в обратном пространстве. В приближении волн Блоха волновая функция для периодического потенциала решётки твёрдого тела полностью описывается её поведением в первой зоне Бриллюэна. Для кубической гранецентрированной решётки. Первая зона Бриллюэна показана на рис.3 [2].
Рис.3 зона Бриллюэн
Поверхность Ферми — поверхность постоянной энергии в k-пространстве, равной энергии Ферми в металлах или вырожденных полупроводниках. Знание формы поверхности Ферми играет важную роль во всей физике металлов и вырожденных полупроводников, так как благодаря вырожденности электронного газа транспортные свойства его, такие как проводимость, магнетосопротивление зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми. Поверхность Ферми разделяет заполненные состояния от пустых при абсолютном нуле температур. Поверхность Ферми золоты показана на рис.4 [2].
Рис.4 Поверхность Ферми
У наноматериаловиззолота наблюдается изменение тепло- и электропроводных свойств.
Сравнительная таблица свойств в микро-и наноструктурах отличие показана в таб.1
Таб.1
|
|
Микроструктура[1] |
Наноструктура (2нм)[3] |
|
Температура плавления |
1333К |
1000К |
|
теплоемкость |
130Дж/(кг·К) |
104 Дж/(кг·К) |
|
плотность |
19.3г/см3 |
19.5г/см3 |
|
температуры Дебая |
165 К |
113,9К |
Из таблицы , следует что , температура плавления, теплоемкость и температуры Дебая уменьшаются. Причина состоится в действии размерные эффекты
Размерные эффекты - зависимость физ. характеристик твёрдого тела от его размеров и формы, когда один из его геом. размеров, напр. толщина d пластины, порядка (или меньше) длины волны де Брой-ля (Квантовые размерные эффекты) либо длины свободного пробега l квазичастиц, реализующих энергетич. спектр твёрдого тела (электронов проводимости, фононов, магнонов и др.), или др. макроскопич. параметров, характеризующих движение квазичастиц (классический Р. э.). Ниже рассматриваются классические Р. э [4]:
1. увеличение объемной доли границ раздела
2. неравновесность границ зерен
3. упругие дальнодействующие напряжения
4. искажкристаллической решетки у границ (вплоть до потери дальнего порядка)
5. повышение мкиротвердости
6. Технологию получении [5]
Наночастицы (НЧ) металлов занимают промежуточное положение между отдельными атомами и «массивным» металлом. Благодаря ряду особенностей, связанных с их размерами и внутренним строением, они обладают уникальным сочетанием электрических, магнитных, оптических, каталитических и других свойств, не характерных для «массивных» металлов.
Наночастицы золота - это система, состоящая из большого числа атомов золота, размер которой лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. В НЧ металлов реализуется и металлический, и ковалентный тип связи (рис. 5).
Рис. 5. Наночастицы золота
В чем же состоит огромный интерес к НЧ золота? Во-первых, их свойства сильно отличаются от свойств объемных образцов металла: так, если обычное золото является диамагнетиком, т. е. совсем не проявляет магнитных свойств, то НЧ золота ведут себя как ферромагнитные частицы. Во-вторых, оказалось, что НЧ золота можно использовать для диагностики рака. Связанные НЧ хорошо рассеивают и поглощают свет, поэтому место локализации опухолевых клеток легко увидеть с помощью микроскопа (рис. 6). Благодаря этим свойствам НЧ золота в перспективе могут применяться в медицине.
Рис. 6. Схема места локализации опухолевых клеток
Оптические свойства коллоидных НЧ металлов обуславливаются плазмонными колебаниями электронов в металлах. При этом спектры поглощения малых кластеров характеризуется интенсивной широкой полосой, которая отсутствует у массивных металлов. Именно линии плазмонного резонанса для металлов навели на мысль об использовании кластеров серебра и золота в качестве флуоресцентных маркеров для исследования биологических объектов.
7. Применения
7.1. Система доставки лекарственного средства
Наночастицы золота могут быть использованы для оптимизации биораспределение препаратов в пораженных органов, тканей или клеток, с тем чтобы улучшить и адресной доставки лекарств.
7.2. Обнаружение опухоли
В исследовании рака, коллоидное золото может быть использована для целевых опухоли и обеспечивают обнаружение с помощью ГКР (поверхность Enhanced спектроскопия комбинационного рассеяния) в естественных условиях.
7.3. Обнаружение токсичных газов
Ученые разработали простые недорогие методы для на месте обнаружения сероводорода H2S, присутствующие в воздухе на основе антиагрегационной наночастиц золота (AuNPs).