Физико-химические основы нанотехнологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Пензенский государственный технологический университет

Кафедра: Биотехнология и техносферная безопасность

Контрольная работа

Физико-химические основы нанотехнологий

Выполнила: Лобачёва Д.С.

студентка группы 12БТ1бзи

Проверил: Борисков Д.Е.

Пенза 2014

1. Сформулируйте условия, влияющие на самоорганизацию наночастиц

Суть процессов самоорганизации заключается в том, что атомы, молекулы, а также отдельные наночастицы способны под действием сил взаимного притяжения самопроизвольно объединяться в упорядоченные структуры, последовательного соединяясь между собой. Движущей силой самоорганизующихся процессов является стремление атомной или молекулярной системы принять конфигурацию, соответствующую минимуму ее потенциальной энергии. Самоорганизация является одной из наиболее общих закономерностей в природе. Она осуществляется различными путями, но всегда с одной общей целью - обеспечить наибольшую устойчивость системы.

Наиболее полно процессы самоорганизации реализуются в биологических системах. Именно таким способом происходит образование сложных биомолекулярных структур. Примером тому могут служить белки, представляющие собой большие молекулы с молекулярными весами, составляющими десятки тысяч. Белки образуются путем последовательного соединения сотен молекул аминокислот при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). При этом каждая молекула аминокислоты подводится к месту своего присоединения молекулой транспортной РНК в порядке, предписанном молекулой информационной РНК. Последовательно связываясь друг с другом, аминокислоты собираются в полипептидную цепь, которая непрерывно увеличиваясь в длине, в конце концов, трансформируется в молекулу белка.

Самосборка, естественным образом протекающая во всех живых организмах, имеет свой аналог в нанотехнологиях, где создаются определенные условия, при которых элементарные строительные блоки (атомы, молекулы или их ансамбли) самопроизвольным образом формируют сложные упорядоченные структуры. Путем самосборки создаются тонкие пленки, представляющие собой атомные или молекулярные моно- или полислои. Такие пленки могут быть получены в ходе непосредственного осаждения вещества на подложку. Движущей силой этого процесса является хемосорбция - поглощение газов, паров или растворенных веществ твердой поверхностью в условиях химического взаимодействия частиц поглощаемого вещества и поглотителя. Образование пленок возможно также методом Лэнгмюра-Блоджетт, в котором сначала на поверхности воздух-вода самопроизвольно формируется молекулярный монослой, который затем переносится на подложку.

К числу наиболее значимых и часто используемых самоорганизующихся процессов относится спонтанная кристаллизация. Кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. Поэтому любая аморфная фаза предрасположена к кристаллизации. Закономерности этого процесса определяются как индивидуальными физико-химическими свойствами самой среды, в которой он протекает, так и внешними условиями, в которых эта среда находится. Главной характеристикой среды является температура.

Контролировать процесс самоорганизации можно при помощи внешних полей или воздействий. Так ферромагнитные наночастицы выстраиваются по линиям магнитного поля; частицы, имеющие дипольный момент, - по линиям электрического поля. Самоорганизацией наночастиц с фотоактивными лигандами можно управлять воздействием света. УФ излучение инициирует реакцию цис-транс изомерного перехода и в наночастицах появляется наведенный дипольный момент. Диполь-дипольное взаимодействие и является движущей силой организации частиц.

Одним из подходов к самоорганизации в растворе является использование специфики взаимодействия различных областей химически неоднородных наночастиц. При организации наночастиц, имеющих противоположные заряды, получаются структуры, напоминающие ионные кристаллы. Используя концепцию «ионных коллоидных кристаллов» можно получать ансамбли наночастиц высокой упорядоченности, которые могут найти применение в фотонике и электронике.

Широкий спектр материалов, таких как углеродные нанотрубки, блоксополимеры, молекулы ДНК и вирусов может быть использован в качестве матрицы для организации наночастиц. Сильное взаимодействие между шаблоном и наночастицами приводит к образованию структуры, которая определяется формой матрицы-шаблона.

Сборка наночастиц на границе жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-твердое вещество производится методами Ленгмюра-Блоджетт, самоорганизацией посредством седиментации или испарения, а также адсорбцией наночастиц. Так можно получить одно- и двухмерные массивы наночастиц с разными плотностями на твердой подложке, варьируя смачиваемость подложки и скорость ее вынимания их раствора.

Движущей силой сегрегации наночастиц на поверхность жидкость-жидкость является уменьшение свободной энергии системы.

2. Почему частицы магния пользуются особым вниманиеми исследователей? Приведите примеры

Нанооксид, карбонат и гидроокись магния: белые порошки, не имеющие запаха, не токсичные. Обладают уникальными свойствами. Могут широко использоваться в электронике, как катализаторы, в керамике, в нефтеперерабатывающей и в текстильной промышленностях, в производстве огнезащитной добавки высокоэффективного типа, для производства технических тканей.

Нанооксид магния обычно используется с деревянной щепой и стружками, чтобы получить легкие, шумоизолирующие, огнеупорные материалы. Он может быть использован в волокнистых плитах совместно с традиционно используемыми фосфатными и галогенсодержащими органическими огнезащитными агентами. Нанооксид магния не токсичен, без запаха и применим в меньших количествах. Можно сказать, что он является идеальной добавкой для получения огнеустойчивых волокон. Более того, при использовании его в автомобильном топливе, нанооксид магния хорошо очищает и является ингибитором коррозии. Он также имеет хорошие перспективы для использования в покрытиях. Все это справедливо и для других соединений магния.

Также нанооксид магния может быть использован как огнезащитный материал для химических волокон и пластиков, высокотемпературный дегидрирующий агент в производстве нанесения силикона на стальные листы, для производства высокочастотных сердечников магнитных антенн, наполнитель для изделий, обладающих магнитными свойствами, для производства разнообразных носителей в радио индустрии, для производства огнеупорных волокон и огнеупорных материалов, магнезитохромитовых кирпичей, наполнитель для огнезащитных покрытий и изоляционных инструментов, электрических кабелей, оптических материалов, для сталеплавильной промышленности и т.п., для изготовления электрических изоляторов, реторт, плавильных печей, защитных оболочек (в виде труб) и пластин, машин для роликовой сварки, электродов, добавка в топливо, очиститель, антистатический агент и ингибитор коррозии.

В последние годы основная тенденция улучшения абсорбционных свойств магния заключается в приготовлении нано-кристаллических композитов магния с различными катализаторами. Как правило, это существенно ускоряет реакции гидрирования и дегидрирования. Однако при исследовании гидрирования таких композитов был обнаружен ряд особенностей, которые следует принимать во внимание при исследовании и разработке нанокристаллических материалов для хранения водорода.

Например, в ряде работ было отмечено явление гистерезиса, наблюдаемое при взаимодействии нанокристаллического магния с водородом, в то время как гистерезис не характерен для магния с обычным размером частиц (более 1 мm). Наблюдалась более сильная зависимость скорости реакции от давления водорода при гидрировании нанокристаллического магния по сравнению с обычным магнием. Остается открытым вопрос, почему нанокристаллический магний полностью не превращается в гидрид.

нанокристаллический наноразмерный электронный биомакромолекула

3. Объясните принцип работы наноразмерного электронного выключателя

Для создания наноустройств необходимы, в частности, наноразмерные переключатели. Удобным материалом для таких устройств являются углеродные нанотрубки и фуллерены. В теоретической работе немецких ученых рассматривается возможность создания наномасштабного переключателя на чисто углеродной основе (две одностенные нанотрубки и молекула C60 между ними).

Свойства простейшей конструкции (из двух одностенных углеродных нанотрубок и молекулы C60 между ними - Рис.1), которая может служить переключателем, рассмотрели теоретики из Технического университета в Дрездене и Регенсбургского университета. Они исследовали электронный транспорт в такой системе и обнаружили, что проводимость может сильно (более чем на три порядка) меняться при изменении либо ориентации молекулы C60, либо при повороте углеродной нанотрубки (при постоянном d). Это связано с тем, что перекрытие волновых функций для контакта нанотрубка - молекула фуллерена сильно зависит от точной атомной конфигурации. Изменять конфигурацию системы можно с помощью, например, острия сканирующего туннельного микроскопа.

Рисунок 1

4. Охарактеризуйте мономеры известных вам биомакромолекул

Биомакромолекула - это гигантская молекула полимера (биополимера), построенная из многих повторяющихся единиц - мономеров.

Существует три типа биомакромолекул: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды.

Мономерами для них служат, соответственно, аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды

Мономеры - низкомолекулярные соединения, сходные по структуре и способные реагировать между собой с образованием высокомолекулярного соединения - полимера.

Нуклеотиды - нуклеозидфосфаты, соединения, из которых состоят нуклеиновые кислоты, многие коферменты и другие биологически активные соединения; каждый нуклеотид построен из азотистого основания (пуринового или пиримидинового), углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.

Молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) являются носителями генетической информации, без которой немыслимо существование и размножение живых клеток. Белки выступают в роли действующего начала молекул ферментов, которые катализируют разнообразные химические реакции в клетке. ДНК, РНК, белки образуют систему биомакромолекул, ответственных за генетическую информацию и выполняющих над ней различные операции: копирование, хранение, изменение, считывание, исполнение.

Материальным носителем генетической информации (наследуемой из поколения в поколение информации о развитии, структуре и жизнедеятельности живых организмов) является ДНК,а в ряде случаев (например, у вирусов) - РНК. Генетическая информация записана в ДНК посредством 4-буквенного алфавита (А, Г, Т, Ц) и отражается в последовательности нуклеотидов, содержащих 4 типа азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Молекула белка представляет собою биополимер, мономерами которого являются аминокислоты. В природе существует около100 разных аминокислот, однако только 20 из них входят в состав белка живых организмов.

Аминокислоты имеют как минимум одну аминогруппу (-NH2) и карбоксильную группу (-СООН).

При формировании молекулы белка аминокислоты последовательно соединяются друг с другом пептидными связями. Пептидная (ковалентная азот-углеродная) связь образуется в результате взаимодействия аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. Соединяясь друг с другом пептидными связями, аминокислоты образуют различной длины пептиды (дипептиды, тетрапептиды и т.д.).

При взаимодействии множества аминокислот образуется полипептид. Большинство белков представляет собой высокомолекулярные полипептиды, в состав которых входят от ста до нескольких тысяч аминокислот. Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи определяет первичную структуру белка. От нее зависят форма, свойства и функции белковой молекулы

Полисахариды, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Моносахариды (от греческого monos: единственный, sacchar: сахар), -- органические соединения, одна из основных групп углеводов; самая простая форма сахара; являются обычно бесцветными, растворимыми в воде, прозрачными твердыми веществами. Некоторые моносахариды обладают сладким вкусом. Моносахариды -- стандартные блоки, из которых синтезируются дисахариды (такие, как сахароза, мальтоза, лактоза), олигосахариды и полисахариды (такие, как целлюлоза и крахмал), содержат гидроксильные группы и альдегидную (альдозы) или кетогруппу (кетозы). Каждый углеродный атом, с которым соединена гидроксильная группа (за исключением первого и последнего), является хиральным, что дает начало многим изомерным формам. Например, галактоза и глюкоза -- альдогексозы, но имеют различные химические и физические свойства. Моносахариды представляют собой производные многоатомных спиртов, содержащие карбонильную группу -- альдегидную или кетонную.

5. В чем заключается сущность самоорганизации белков?

Уникальность белков как сложных химических веществ заключается в их способности к самоорганизации. Последняя заключается в самосборке и самоукладке молекулы белка в естественную (нативную) трехмерную структуру

Удивительно, что самоорганизация белковой молекулы протекает не только в живой клетке, но и, как установили ученые в 60-х годах ХХ века, за ее пределами, в искусственных условиях. При этом самоорганизация белка может осуществляться спонтанно, нередко даже без участия источников энергии и ферментов.

Способность белковой молекулы к самоорганизации обусловлена последовательностью в ней аминокислотных остатков, а также свойством функциональных групп этих остатков к взаимодействию. Каждый аминокислотный остаток имеет около 10 вариантов трехмерных построений (конформаций). Полипептидная цепь из 100 остатков аминокислот может обрести 10100 возможных конформаций.

Трудно представить, что молекула белка вынуждена «отыскивать» свою пространственную структуру среди многих триллионов возможных структур.

Однако это происходит и к тому же осуществляется немыслимо быстро: весь процесс самоорганизации занимает, как и процесс биосинтеза в рибосоме, около 1 минуты.

6. Какой металл используется чаще всего для изготовления имплантатов? Почему?

Имплантаты - это специально создаваемые конструкции, которые вживляются в организм человека в роли заменителей отсутствующих или поврежденных органов. Они изготавливаются из биоматериалов - особых материалов, «уживающихся» с клетками и тканями организма.

Среди современных металлических биоматериалов лидирующее положение занимает титан и создаваемые на его основе сплавы. Этот металл используется для изготовления протезов тазобедренных, коленных, челюстных суставов, пластин и спиц для костного сращивания, винтов для фиксации позвоночника.

Среди ценных свойств титана и его сплавов можно отметить следующие: высокая биосовместимость, хорошая коррозионная стойкость, отсутствие магнитных свойств, низкая теплопроводность, более низкий, по сравнению со сталью, удельный вес. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется быстрым образованием на его поверхности оксидной пленки, прочно связанной с основным металлом. Такая пленка предотвращает непосредственный контакт металла с коррозионно-активной средой живого организма. В настоящее время для производства имплантатов чаще всего используется технически чистый титан, а также титановые сплавы Ti-4Al-6V, Ti-5Al-2Sn и Ti-2,5Al-5Mo-5V и др.

Размещено на Allbest.ru