Файл в формате PPT (6,6 МB)

Лекционный курс
«Физические основы
измерений»
Раздел ОСНОВЫ
НЕФТЕГАЗОВЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Тема ДВА ВИДА НАНОТЕХНОЛОГИЙ.
2. НАНОТЕХНОЛОГИИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ
ХИМИИ («САМОСБОРКИ» МОЛЕКУЛ)
[ ПРОДОЛЖЕНИЕ ]
НАНОТЕХНОЛОГИИ - 2
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ (СМХ)
САМООРГАНИЗАЦИЯ
СМХ - САМООРГАНИЗАЦИЯ
МОЛЕКУЛЯРНОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ
СТРУКТУРЫ
« ХОЗЯИН - ГОСТЬ »
В 1894 году Эмиль Фишер (Emil Fischer) высказал предположение,
что форма некоторых молекул (энзимов) является определяющим
фактором для нековалентных взаимодействий. Взаимодействия
происходят, если формы молекул «подходят» друг к другу – так
же как к замку подходит только определенный ключ.
Впоследствии, образующиеся супрамолекулярные структуры
стали описывать терминами «замок – ключ» и «хозяин – гость».
При образовании подобных структур происходит
молекулярное распознавание «хозяином» определенных
молекул среди множества разнообразных «гостей»..
Самосборка структур «хозяин – гость»
путем молекулярного распознавания
Формирование
молекулы - хозяина
X
Y
Самосборка
супрамолекулярных
структур
Ковалентная
связь
Нековалентные
связи
Молекула
- хозяин
Молекулы гости
Пример компактной структуры
« хозяин – гость »
Хозяин.
Молекула «прищепка»
Гость.
Молекула
C6H6O2
Нобелевская премия по химии 1987 года за
исследования молекулярного распознавания
«хозяин – гость» :
* Дональд Крам (Donald J. Cram, 1919-2001) - США
* Жан Лен (Jean-Marie Lehn, 1939-) - Франция
* Чарльз Педерсен (Charles J. Pedersen, 1904-1989) - США
Термин «супрамолекулярная химия»
впервые использовал Ж.М. Лен
в 1978 году
« НОБЕЛЕВСКИЕ МОЛЕКУЛЫ »
( Педерсен )
Краун – эфиры (crown-ethers)
« НОБЕЛЕВСКИЕ МОЛЕКУЛЫ »
( Лен )
Криптанды (cryptands)
[2.2.2]-криптанд, образующий комплекс
«хозяин-гость» с ионом Na+ .
« НОБЕЛЕВСКИЕ МОЛЕКУЛЫ »
( Крам )
Сферанды
и
Кавитанды
«ХОЗЯИН» - сферанд
«ХОЗЯИН» - кавитанд
«СМХ» самоорганизация
Самоорганизующиеся
амфифильные
системы
АССОЦИАТИВНЫЕ (НАНО)КОЛЛОИДЫ
СИСТЕМЫ
ПРОСТЫХ
АМФИФИЛЬНЫХ
МОЛЕКУЛ
( ПАВ )
Амфифильные (дифильные) молекулы
Полярная
группа
Неполярная
группа
phosphatidyl choline lyso- phosphatidyl
choline
dodecylsulphate
Мицеллобразование в растворе ПАВ
Образование стабильных (нано)агрегатов при ККМ
( критической концентрации мицеллообразования )
Малые концентрации
Высокие концентрации
МИЦЕЛЛЫ
10-100 nm
Устаревшая модель
«Прямые» мицеллы
в воде
«Обратные»
мицеллы
в масле
Нанореакторы
Солюбилизация
Добыча нефти
«Упаковка»
лекарств
Резкие изменения
свойств жидкости
вблизи ККМ
В идеальных
(модельных) системах:
Выше ККМ –
концентрация мономеров
постоянна.
Форма мицелл
не меняется
Простая фазовая диаграмма
модельных ионных ПАВ
Раствор додецилсульфата натрия (SDS)
СИСТЕМЫ
АМФИФИЛЬНЫХ
БЛОК - СОПОЛИМЕРОВ
Диблочные
сополимеры
AB
Триблочные
сополимеры
ABC=(A)x(B)y(C)z
ABA=(A)x(B)Y(A)z
ABC=(A)x(B)y(C)z
Блок - сополимеры:
Амфифильные
макромолекулы, состоящие
из двух (и более) различных
мономеров (блоков).
(AB, ABA, ABC...)
ДИБЛОЧНЫЕ СОПОЛИМЕРЫ
МОЛЕКУЛА
ПРОСТЕЙШАЯ
НАНОСТРУКТУРА
«МИЦЕЛЛА»
РАЗНООБРАЗИЕ НАНОСТРУКТУР (НАНОФАЗ),
образуемых при самоорганизации блок-сополимеров
СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ НАНОФАЗ
ГЦК нанофаза
сферических элементов
Гексагональная нанофаза
цилиндрических элементов
Ламеллярная
нанофаза
БИСЛОИ
МОЛЕКУЛ
Биконтинуальные
нанофазы
Структуры нанофаз, образуемых
при самоорганизации триблочных сополимеров
Установлены
диаграммы
состояния
нанофаз
ПРИ НАЛИЧИИ
САМООРГАНИЗАЦИИ
И
ЗНАНИИ
ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ
ТЕМПЕРАТУРА
«НАНОТЕХНОЛОГИЯ»
↓
КОНЦЕНТРАЦИЯ
ПОСТРОЕНИЕ
НУЖНЫХ
НАНОСТРУКТУР
ПУТЕМ
ПРОСТОГО
ИЗМЕНЕНИЯ
ВНЕШНИХ
УСЛОВИЙ
ПРИМЕРЫ
НАНООБЪЕКТОВ
И НАНОСТРУТУР,
ПОЛУЧАЕМЫХ
МЕТОДАМИ
СМХ - САМООРГАНИЗАЦИИ
САМООРГАНИЗАЦИЯ НАНООБЪЕКТОВ
( ПРИНЦИП СНИЗУ - ВВЕРХ )
Первичные «строительные детали»
(ковалентные связи)
Третичные структуры (нековалентные
взаимодействия вторичных структур)
Вторичные структуры (нековалентные
взаимодействия первичных «деталей»)
Четвертичные объемные нанообъекты
(нековалентные связи)
Самосборка топологически сложного нанообъекта –
«молекулярных колец Борромео»
Кольца Борромео - фигура основаная на симметричной расстановке перекрывающих друг
друга колец. Если все кольца плоские, такая фигура не может существовать в нашем мире.
Для создания фигуры в трехмерном пространстве необходимы разрывы или искажения.
В математике кольца Борромео состоят из трех топологических кругов, объединенных в
соединение Брунниана (Brunnian link) - при удалении одного из колец остаются два
разомкнутых кольца.
Во все времена кольца Борромео
служили символом "силы в единстве"
Замок семьи Борромео
в Италии
на острове
Исола Белла
(Isola Bella)
Самосборка топологически сложного нанообъекта –
«молекулярных колец Борромео»
Молекулярные «детали»:
6 ионов переходного металла Zn2+
6 молекул тридентантного лиганда (2,6-diformylpyridine);
6 молекул бидентантного лиганда диамина;
НАНОБЪЕКТЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ СТРУКТУРОЙ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ – в системах обработки информации, датчиках и т.п.
СИСТЕМЫ «ХОЗЯИН – ГОСТЬ»
Молекулярный переключатель
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
01
Переключение – при
изменении
кислотно – щелочного
баланса среды
СИСТЕМЫ «ХОЗЯИН – ГОСТЬ»
Оптически управляемый
молекулярный переключатель
СИСТЕМЫ «ХОЗЯИН – ГОСТЬ»
Молекулярный разъем
« Розетка »
« Вилка »
Включение – выключение передачи энергии фотовозбуждения
– при изменении кислотно – щелочного баланса среды
Самоорганизация молекулярных цепочек органического
полупроводника на поверхности графита (СТМ изображение)
САМООРГАНИЗАЦИЯ ГЕЛЕВЫХ СТРУКТУР
ИЗ «НАНОВОЛОКОН»
Самооганизация
геля
Самооганизация
«нановолокна»
1 mm
Наногелевая «упаковка» лекарств
для разрушения опухолей
20nm
0.1 mm
pH 3.5
Наногелевый
«поршень»
ГЕЛЬ
pH 7.6
pH
Управление – изменением кислотно
- щелочного баланса среды (рН)
Периодический режим работы
«поршня»
(«наногелевый двигатель»)
t=0
t=0
125
52
177
72
219 s
114 s
ЦИКЛЫ РАБОТЫ
«НАНОГЕЛЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ»
0.032
ДЛИНА
0.028
0.024
0.02
8
0.016
6
4
2
0
2000
4000
6000
ВРЕМЯ , секунды
8000
pH
КОНЕЦ
ЛЕКЦИИ