Номер 1, страница 264 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

1. Подготовьте сообщение с ppt-презентацией по темам (на выбор):

1. Нанотехнологии в медицине.

2. Физические, химические и биологические методы получения наноматериалов.

3. Свойства нанотрубок и их применение.

Решение

Для создания наноматериалов, то есть структур с характерными размерами в диапазоне от 1 до 100 нанометров, применяют методы, основанные на двух фундаментальных подходах: «сверху-вниз» (top-down) и «снизу-вверх» (bottom-up). Подход «сверху-вниз» заключается в измельчении массивных материалов до наноразмеров, в то время как подход «снизу-вверх» предполагает контролируемую сборку наноструктур из отдельных атомов и молекул. Методы получения наноматериалов принято разделять на три большие группы.

Физические методы

В этих методах используются физические процессы и воздействия для формирования наноструктур. Они могут реализовывать как «top-down», так и «bottom-up» подходы.
1. Механическое измельчение. Относится к подходу «сверху-вниз». Исходный материал измельчают в высокоэнергетических шаровых мельницах до получения наноразмерного порошка. Метод относительно прост и производителен, но его недостатки — возможное загрязнение материала продуктами износа мелющих тел и широкий разброс частиц по размерам.
2. Литография. Ключевой метод «сверху-вниз» в микро- и наноэлектронике. Он заключается в создании на поверхности подложки рисунка с нанометровым разрешением. В зависимости от типа излучения различают фотолитографию (использует ультрафиолетовый свет) и электронно-лучевую литографию (использует сфокусированный пучок электронов), которая позволяет получать структуры меньшего размера.
3. Испарение-конденсация. Метод «снизу-вверх», при котором материал сначала испаряется в вакууме или в атмосфере инертного газа, а затем его пары конденсируются на холодной поверхности или в объеме, образуя наночастицы или тонкую пленку. Для испарения используют лазерную абляцию, электронно-лучевой нагрев, магнетронное распыление.
4. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Высокоточный метод «снизу-вверх» для выращивания тончайших монокристаллических пленок. В условиях сверхвысокого вакуума на подложку направляются пучки атомов или молекул, которые осаждаются и формируют кристаллический слой. МЛЭ позволяет контролировать толщину пленки с точностью до одного атомного слоя.

Химические методы

Большинство химических методов относятся к подходу «снизу-вверх» и основаны на проведении химических реакций, в результате которых из молекул-предшественников формируются наночастицы. Эти методы обеспечивают хороший контроль над размером, формой и составом наноматериалов.
1. Золь-гель метод. Включает две стадии: получение коллоидного раствора (золя) в результате гидролиза и поликонденсации предшественников (часто алкоксидов металлов) и последующее образование пространственной сетки (геля). После сушки и термообработки геля получают пористый наноматериал, керамику или стекло. Пример реакции для получения диоксида кремния: $Si(OC_2H_5)_4 + 2H_2O \rightarrow SiO_2 \downarrow + 4C_2H_5OH$.
2. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD). На нагретую подложку подаются газообразные реагенты, которые разлагаются или вступают в реакцию на ее поверхности. В результате образуется твердое покрытие (тонкая пленка) или отдельные наноструктуры, например, углеродные нанотрубки.
3. Химическое осаждение из раствора. Наночастицы осаждаются из раствора в результате химической реакции, например, при восстановлении ионов металла специальными реагентами (восстановителями). Таким способом синтезируют коллоидные растворы наночастиц благородных металлов (золота, серебра, платины).
4. Гидротермальный (сольвотермальный) синтез. Химические реакции проводят в герметичных сосудах (автоклавах) в воде (гидротермальный) или органических растворителях (сольвотермальный) при температурах выше точки кипения и повышенном давлении. Метод позволяет получать высококачественные кристаллические наноматериалы.

Биологические методы

Также известные как «зеленый синтез», эти методы используют биологические объекты (растения, грибы, бактерии, водоросли) или их компоненты (ферменты, белки) для создания наночастиц. Это экологически чистое и перспективное направление.
1. Синтез с использованием растений (фитосинтез). Экстракты различных частей растений (листьев, корней, плодов) содержат биологически активные вещества (полифенолы, флавоноиды, сахара), которые действуют одновременно как восстанавливающие и стабилизирующие агенты. При смешивании такого экстракта с раствором соли металла ионы металла восстанавливаются, образуя стабильные наночастицы.
2. Синтез с использованием микроорганизмов. Многие бактерии, грибы и дрожжи способны поглощать ионы металлов из окружающей среды и с помощью своих ферментных систем превращать их в наночастицы. Этот процесс может происходить как внутри микробной клетки, так и во внеклеточном пространстве.
Главные преимущества биологических методов — их экологическая безопасность (не используются токсичные химикаты, синтез идет в мягких условиях), экономичность и возможность получения биосовместимых наночастиц, уже покрытых природной стабилизирующей оболочкой.

Ответ: Основными методами получения наноматериалов являются физические, химические и биологические. Физические методы (например, механическое измельчение, литография, испарение-конденсация) используют физические процессы для создания наноструктур. Химические методы (золь-гель, химическое осаждение, гидротермальный синтез) основаны на химических реакциях и позволяют точно контролировать свойства наночастиц. Биологические, или «зеленые», методы используют природные системы (растения, микроорганизмы) для экологически чистого, простого и экономичного синтеза наноматериалов.