Молекулы и атомы. Нанотехнологии и их применение

Мы знаем, что всё вокруг нас состоит из различных веществ. Многие из этих веществ нам хорошо известны. Например, молочная бутылка сделана из стекла, линейка — из дерева или пластмассы, а в мензурке находится вода.

Каждое вещество обладает уникальными характеристиками. Существуют твёрдые и рыхлые вещества, упругие и хрупкие, мягкие, такие как пластилин, жидкие, подобные воде, и газообразные, как кислород. Эти различия объясняются тем, что все вещества состоят из мельчайших частиц, то есть имеют дискретное (то есть прерывистое) строение.

Эти мельчайшие частицы вещества, способные сохранять свои основные свойства и существовать самостоятельно, называются молекулами.

Все молекулы состоят из атомов. Атом — это наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Атомы являются теми «строительными блоками» материи, из которых создан наш мир. Современные научные данные говорят о том, что в природе существует 92 различных типа атомов. Ещё 25 атомов новых элементов были созданы учёными в лабораторных условиях. Все эти атомы классифицированы согласно периодическому закону, открытому Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Несмотря на относительно небольшое количество видов атомов, включённых в таблицу Менделеева, нас окружает огромное разнообразие веществ. Подобно тому, как из таких строительных материалов, как кирпич, дерево, стекло и металл, можно возвести множество различных зданий, атомы объединяются в более сложные структуры — молекулы.

Молекула воды, к примеру, включает три атома: два атома водорода и один атом кислорода. Названия атомов обычно обозначаются латинскими буквами. Как вы изучите в курсе химии, вода обозначается символами H₂O, где H — это символ обозначения водорода, а O — кислорода. Молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода и обозначается как O₂.

Но есть некоторые вещества, которые состоят исключительно из атомов. Примером может служить алмаз, состоящий только из атомов углерода.

Поскольку молекулы образованы из атомов, их можно разделять. Например, если пропустить электрический ток через обычную воду, молекулы воды разложатся, образовав новые вещества — газы водород и кислород. Свойства этих газов значительно отличаются от свойств воды.

Если же воду просто нагреть или заморозить, она превратится в пар или лёд соответственно. Несмотря на это, и пар, и вода, и лёд будут содержать одни и те же молекулы. Однако взаимодействие между этими молекулами будет различным. Именно поэтому свойства воды, льда и пара различаются.

Мир молекул и атомов чрезвычайно разнообразен. Размеры самых мелких молекул составляют порядка 10^–10 метра. Тогда как крупные молекулы могут достигать размеров в несколько микрометров (10^–6 м). Примеры таких крупных молекул включают белки — молекулы живой природы, состоящие из множества атомов.

Итак, молекулы невероятно малы. На протяжении времени проводились различные эксперименты для определения их размеров. Одним из таких экспериментов занимался английский учёный Джон Уильям Стретт, известный под именем лорд Рэлей.

Он взял чистый широкий сосуд. Наполнил его водой. И поместил на её поверхность каплю оливкового масла.

Масло начало растекаться по водной поверхности, формируя тонкую плёнку. Площадь этой плёнки постепенно увеличивалась, пока процесс растекания не прекратился, и площадь больше не изменялась. Рэлей предположил, что молекулы масла в этом эксперименте располагались в один слой. Следовательно, толщина плёнки соответствовала размеру одной молекулы. Таким образом, толщина плёнки (или диаметр молекулы) определялась отношением объёма капли масла к площади поверхности плёнки.

Исходя из опытных данных, Рэлей получил, что диаметр молекулы масла должен быть равен примерно 1,6 ∙ 10^–9 метра:

Размер молекулы, полученный Рэлеем, представляет собой оценку, а не точное значение. Согласно современным данным, средний диаметр молекулы масла составляет 5 ∙ 10^–10 метра. Это означает, что в исследуемой Рэлеем плёнке масла находилось примерно три молекулярных слоя.

При указании размеров молекул и атомов обычно используются не метр, а внесистемную единицу измерения длины ангстрем. Она была названа в честь шведского физика и астронома Андерса Ангстрема:

1 Å = 10⁻¹⁰ м.

Так, например, молекула воды имеет размеры около 3 Å. Тогда как атом золота — около 1 Å.

Что касается массы отдельных молекул и атомов, то они также чрезвычайно малы. Простейшие молекулы (не многоатомные) имеют массу порядка 10^–26 килограмм.

Например, известно, что в капле воды массой один грамм содержится примерно 3,3 ∙ 10²² молекул.

Нетрудно посчитать, что масса одной молекулы воды примерно равна 3 ∙ 10^–26 степени килограмм.

Итак, мы выяснили, что атомы и молекулы обладают очень маленькой массой и очень маленькими размерами. Поэтому их невозможно разглядеть невооружённым глазом или через обычный микроскоп.

Для изучения структуры веществ активно применяются электронные микроскопы и ионные проекторы. Последние особенно полезны для анализа кристаллов. Современные ионные проекторы обеспечивают увеличение до (5—10) × 10⁶ раз, что превосходит возможности электронных микроскопов.

Однако окончательное подтверждение существования мельчайших частиц, включая атомы, было получено лишь после изобретения Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году сканирующего туннельного микроскопа. Он позволил сфотографировать отдельные атомы на поверхности материала. За это достижение они получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году.

Принцип работы этого микроскопа довольно прост. Очень острая игла, на конце которой находится всего один атом, приближается к образцу на расстояние около 0,1 нм.

Когда между иглой и образцом подаётся небольшое напряжение, возникает так называемый туннельный ток, сила которого зависит от расстояния между иглой и поверхностью образца. Игла может перемещаться по образцу на постоянной высоте. Изменяя величину туннельного тока, можно построить топографию поверхности.

С развитием знаний о составе вещества, структуре и размерах атомов и молекул, человечество подошло к новой эре — эре нанотехнологий. Ещё в 1959 году Ричард Фейнман предположил, что можно будет создать миниатюрные машины, способные производить ещё более мелкие механизмы, которые, в свою очередь, смогут управлять отдельными атомами.

Нанотехнологии — это наука и технологии, которые работают с очень маленькими объектами, размером всего в несколько нанометров.

Термин «нанотехнология» впервые использовал в 1974 году японский физик Норио Танигути.

Один нанометр — это одна миллиардная метра, то есть объекты такого размера невозможно увидеть невооружённым глазом. Например, десять атомов водорода, расположенных вплотную друг к другу, образуют цепочку длиной 1 нм. Диаметр молекулы ДНК составляет 2,5 нанометра. А человеческий волос имеет толщину порядка 80 000 нм.

Нанотехнологии работают с объектами, называемыми наночастицами, размеры которых варьируются от 1 до 100 нм. Оказалось, что эти наночастицы зачастую проявляют уникальные физические, химические и биологические свойства, отличные от свойств того же вещества в обычном масштабе. Например, золото в виде наночастиц может стать красным вместо привычного золотого цвета.

Современные физики научились работать с отдельными наночастицами и создавать на их основе наноматериалы с полезными свойствами. Одним из ключевых элементов в этом процессе является углерод. Этот уникальный элемент способен формировать разнообразные структуры путём соединения своих атомов. Например, природные алмазы и графит состоят из атомов углерода. Однако из-за различий в структуре они обладают разными свойствами. На основе углерода создаются такие наноструктуры, как фуллерены, углеродные нанотрубки, нановолокна, графены и другие.

Фуллерен назван в честь архитектора Ричарда Фуллера, который разработал аналогичные конструкции для применения в архитектуре. Внешне фуллерен похож на футбольный мяч, состоящий из пяти шестигранных сегментов. Самый стабильный фуллерен, С₆₀, получается, если представить, что в вершинах этого многогранника расположены 60 атомов углерода. Учёные смогли создать молекулы фуллеренов, содержащие от 20 до 540 атомов углерода. Уникальные свойства этих молекул, обусловленные их структурой и прочностью, находят применение в самых разнообразных областях техники и медицины.

Графен представляет собой однослойную структуру атомов углерода, расположенную в форме связанных шестиугольников. Он обладает множеством удивительных характеристик. Это самое тонкое вещество, известное человечеству, толщина которого соответствует размеру одного атома. Графен является самым лёгким материалом, известным науке, и одновременно одним из самых прочных — он в до 300 раз прочнее стали.

Углеродные нанотрубки — это цилиндрические молекулы, состоящие из одного или нескольких слоёв графена, свёрнутых в трубку. Диаметр таких трубок варьируется от десятых долей до нескольких десятков нанометров, а длина может достигать от одного микрометра до нескольких сантиметров. Углеродные нанотрубки отличаются высокой прочностью и могут использоваться для создания сверхпрочных микроскопических нитей и тросов, применяемых в автомобильной промышленности, авиации, а также в наноэлектронике и компьютерной индустрии.

Одним из первых методов получения графена предложили российские учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2004 году. За свои достижения в этой области они были удостоены Нобелевской премии по физике.

Нанотехнологии находят применение в разных областях.

Медицина:

Наночастицы могут доставлять лекарства прямо к больным клеткам, минимизируя побочные эффекты. Создаются новые материалы для искусственных органов и тканей.

Электроника:

Микрочипы становятся всё меньше и мощнее благодаря использованию наноструктур. Разрабатываются гибкие экраны и дисплеи, которые можно свернуть, как лист бумаги.

Экология:

Специальные наноматериалы могут удалять загрязнения из воды, делая её безопасной для питья. Новые солнечные батареи с наночастицами делают солнечную энергию эффективнее.

Космос:

Лёгкие и прочные материалы создаются для космических аппаратов.

Нанотехнологии открывают перед нами множество возможностей. Возможно, однажды мы сможем создавать искусственные органы прямо в лаборатории. Строить дома с умными стенами, которые сами регулируют температуру. Или отправлять роботов-наноразмеров внутрь человеческого организма для лечения болезней.

Но вместе с этим возникают вопросы безопасности. Учёным нужно тщательно изучать влияние наночастиц на здоровье человека и окружающую среду, чтобы избежать возможных рисков.

Мы должны понимать, как наночастицы влияют на организм человека и окружающую среду, чтобы предотвратить возможные риски.

Кроме того, создание наномашин и роботов требует разработки новых инструментов и методов управления. Нам предстоит решить много сложных задач, прежде чем нанотехнологии станут частью нашей повседневной жизни.

Тем не менее, будущее выглядит ярким и полным инноваций. Кто знает, возможно, через несколько десятилетий мы будем жить в мире, где нанотехнологии решают многие наши проблемы и делают жизнь проще и комфортнее.

Так что нанотехнологии — это захватывающая область науки, которая обещает изменить наш мир к лучшему, если использовать её с умом.