Вход

Перспективные химические процессы

Реферат по химии
Дата добавления: 21 августа 2004
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 389 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать



Министерство образования РФ

Тольяттинский государственный институт сервиса











Кафедра «Естественно-научные дисциплины»

















Контрольная работа по курсу



«Естественно-научные основы высоких технологий»



тема: Перспективные химические процессы

























Выполнил:

Студент Энз-2 Белов Д.Ю.

Проверил:

Старший преподаватель Бочкарева Т.С.























Новокуйбышевск 2004





Содержание.



Введение 3



Успехи органической химии 4



Успехи неорганической химии 7

Дендримеры 8



Супрамолекулярная химия 9



Нанохимия 10



Фемтохимия 11



Спиновая химия 12



Каталитическая химия 12



«Экстремальная» химия 13



Заключение 14



Литература 16











































Введение.

Химия - наука социальная. Её высшая цель - удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.

Как фундаментальная наука химия сформировалась в начале XX века, вместе с новой, квантовой механикой. И это бесспорная истина, потому что все объекты химии - атомы, молекулы, ионы, и т.д. - являются квантовыми объектами. Главное, центральное событие в химии - химическая реакция, т.е. перегруппировка атомных ядер и преобразование электронных оболочек, электронных одежд молекул-реагентов в молекулы продуктов - также является квантовым событием. Три главных элемента квантовой механики составили прочный и надёжный физический фундамент химии:

  • понятие волновой функции электрона как распределённого в пространстве и времени заряда и спина (углового момента);

  • принцип Паули, организующий электроны по энергетическим уровням и спиновым состояниям, "рассаживающий" электроны по их собственным орбиталям (волновым функциям);

  • уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнений классической механики.

В химии (как, впрочем, и во всякой живой науке) постоянно рождаются новые идеи, совершаются крупные прорывы, формируются новые тенденции. Главные, ключевые события происходят в химическом синтезе; здесь совершаются каждодневные открытия - большие и малые, значимые и мало заметные. Атомная архитектура и природных, и синтетических молекул бесконечно разнообразна и эстетически совершенна. Созданы молекулы-ротаксаны (кольцо, двигающееся по стержню с ограничителями на концах), молекулы-катенаны (продетые кольца), фуллерены (молекулы - футбольные мячи), высокоспиновые ферромагнитные молекулы; синтезированы молекулы, функционирующие как молекулярные машины; синтезированы органические сверхпроводники и сверхпроводящие керамики, органические ферромагнетики, молекулы-лестницы, молекулы-тороиды и многопалубники, молекулярные контейнеры с включенными в них атомами и ионами. Созданы дендримерные молекулы, построенные по фрактальному типу - когда всё вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза).

Крупный прорыв - синтез углеродных нанотрубок диаметром 10 нм; созданы технологии манипулирования этими молекулярными трубками (их можно резать, укладывать, перемещать, изгибать, и т.д.); их можно нагружать металлом и получать проводящую молекулярную проволоку. Впервые открывается реальный путь к молекулярной наноэлектронике.

Синтезирован металлический водород; желанная цель оказалась не слишком экзотической - электропроводность его около 2000 сименсов, т.е. на уровне расплавленного цезия или рубидия. Нельзя также не отметить монументальные успехи трансгенной инженерии; на их острие стоит химия. Конечно, часть огромного творчества химиков останется невостребованной экзотикой, но в основном оно даёт новые точки роста и новые блага цивилизации.

Триумфальные успехи ковалентной химии демонстрируют и её мощь, и её концептуальный предел: в рамках ковалентной химии трудно (а часто и невозможно) создать молекулярно-организованные наносистемы, молекулярные устройства и ансамбли (типа каталитических антител и молекулярных машин), которыми пользуется Природа. Но уже сейчас открывается новая эра нековалентной химии, которая строится на нековалентных взаимодействиях (электростатические взаимодействия ионов и диполей, водородные связи, вандерваальсовы силы и т.д.). Комбинация принципов классической, ковалентной и новой, нековалентной химии открывает необозримый потенциал сотворения любой химической архитектуры любого масштаба.

Когерентная химия - новое лицо химии. Химическая когерентность - свойство химических систем генерировать осциллирующие, периодические режимы реакций. Классическая химическая когерентность обнаруживается в десятках новых электрохимических осциллирующих реакций, в окислении аммиака и оксида углерода на платине как катализаторе, в некоторых фотохимических реакциях, и т.д.

Энергично развивается химия в экстремальных и экзотических условиях: в сверхтекучем гелии; в кристаллических газовых решётках ультрахолодных атомов; в мощных ударных волнах при гигантских сжатиях; в сильных электрических полях лазеров с мощностью ~ 1016 Вт/см2 (в них напряжённость поля ~ 200 В/нм, сравнимая с напряжённостью внутренних электрических полей в молекулах); в сильных микроволновых и магнитных полях; в сильных гравитационных полях. Цель этих исследований - поиск новых реакций, новых процессов и новых режимов с возможными выходами в высокие технологии.

Невозможно отразить все перспективные химические процессы в ограниченном пространстве реферата, поэтому остановлюсь на самых крупных из них.


Тенденции развития органической химии.

Органическая химия, как показывает само название, возникла в результате изучения

органической живой материи, состава органических молекул. После того как в 70 - 80-х годах прошлого века появилась структурная теория, которая до сих пор является основой органической химии, ученые стали направленно определять структуру веществ, встречающихся в природе. Сначала это были довольно простые соединения, например, этиловый спирт, потом более сложные, как, например, аспирин, потом уже очень сложные структуры, например таксол - одно из самых перспективных современных противораковых средств.

На основе структурной теории, дополненной стереохимией, химики начали устанавливать структуры природных веществ, и, что более важно, осуществлять синтез органических соединений. С точки зрения структурной теории перед химиками встают две фундаментальные проблемы. Первая - это осуществление структурных трансформаций, то есть проблема перехода от одной структуры к другой. Вторая проблема - соотнесение структуры и свойства вещества. Иными словами, важнейшей проблемой органической химии стало научиться так манипулировать структурами, чтобы быть в состоянии получить любые, в том числе и неизвестные, структуры.

Наконец, химия породила свой собственный объект исследования: химики синтезировали громадное количество веществ, которых нет в природе. В настоящее время из всех

известных науке веществ (порядка 15 млн.) примерно 95% - соединения углерода, то есть органические вещества. Работы в области органической химии и биоорганической химии множатся быстрее, чем во всех остальных областях химии (их объем тоже растет, но существенно медленнее). Это привело к возникновению новых поддисциплин в органической химии.

Модификация активных веществ. В настоящее время созданы уже такие модифицированные антибиотики, противораковые препараты и т.д., где атом водорода замещен на атом фтора. «Модифицирование» означает следующее - когда антибиотик содержит в своей структуре вместо водорода фтор, то ферменты биосистемы «не знают», что с ним делать, и антибиотик работает по-другому. Мы можем в известной мере предсказать, как он будет работать. Поэтому органическая химия развивается в направлении модификации активных веществ и создания специфических реагентов для такой модификации, как, например, новые фторирующие реагенты.

QSAR. Другое направление возникло на стыке органической химии, хемометрики, математического моделирования и компьютерной химии - QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship; дословный перевод - количественное соотношение структура-свойство). В настоящее время QSAR - это некое компьютерное правило, описывающее любое свойство (свойства молекулярные, свойства биологические) через дескрипторы.Что такое дескриптор химической структуры? Это число или набор чисел, которые характеризуют структуру органического соединения, причем характеризуют так, что они "схватывают" существенные черты этой структуры. Вообще говоря, любое число, которое можно рассчитать исходя из структурной формулы (молекулярный вес, число определенных атомов, связей или групп, молекулярный объем, частичные заряды на атомах и т.д.), может выступать в качестве дескриптора. Методология QSAR позволяет химику довольно удачно достичь конечную цель исследований: предсказать (и затем синтезировать!) структуру с нужной целевой активностью.

Фуллерены и нанотрубки.

В настоящее время показано, что элементарный углерод способен образовывать сложные вогнутые поверхности, состоящие из пяти, шести, семи и восьмиугольников. Начиная с 80-х годов были открыты бесчисленные формы элементарного углерода - фуллерены и нанотрубки, гигантские фуллерены и луковичные структуры, тороидальные и спиральные формы углерода. Создание в 1990 году Кречмером и Хафлером эффективной технологии, синтеза, выделения и очистки фуллеренов в конечном итоге привело к открытию многих новых необычных свойств фуллеренов. Происхождение термина фуллерен связано с именем американского архитектора Букминстера Фуллера, который применял такие структуры при конструировании куполообразных зданий.

Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С60, характеризующаяся высокой симметрией и стабильностью. Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. При оптимальных условиях генерации молекул фуллеренов нагревание графита должно быть умеренным, в результате чего продукты его распада будут состоять из фрагментов, являющихся элементами структуры молекул фуллеренов. При этом разрушаются связи между отдельными слоями графита, но не происходит разложения испаряемого углерода на отдельные атомы. При этих условиях испаряемый графит состоит из фрагментов, включающих шестиугольные конфигурации атомов углерода. Из этих фрагментов и происходит сборка молекулы С60 и других фуллеренов. Для разложения графита при получении фуллеренов используют как электрический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита.

Получение высших фуллеренов требует последующей сложной и дорогой процедуры экстракции, основанной на идеях жидкостной хроматографии. Этот способ позволяет не только отделить, но и накопить более редко встречающиеся фуллерены С76, С84, С90, и С94. Эти процессы идут параллельно получению С60, отделение которого позволяет обогатить смесь высшими фуллеренами.

Наиболее удобный и широко распространенный метод экстракции фуллеренов из продуктов термического разложения графита (фуллерен содержащей сажи), а также последующей сепарации и очистке фуллеренов основан на использовании растворителей и сорбентов. Этот метод включает в себя несколько стадий. На первой стадии фуллерен содержащая сажа обрабатывается с помощью неполярного растворителя, в качестве которого используется бензол, толуол и другие вещества.

Выпаривание полученного таким образом раствора фуллеренов приводит к образованию черного поликристаллического порошка, представляющего смесь фуллеренов различного сорта (80 - 90% состоит из С60, и на 10 - 15% из С70 и доли % высших фуллеренов). Сепарация фуллеренов, входящих в состав экстракта, основана на идеях жидкостной хроматографии. Экстракт фуллеренов, растворенный в одном из растворителей, пропускается через сорбент, в качестве которого может быть использован алюминий, активированный уголь либо другой материал с высокими сорбционными характеристиками. Фуллерены сорбируются этим материалов, а затем экстрагируются из него с помощью чистого растворителя.

Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов в конденсированном состоянии указывают как на богатое физическое содержание явлений, происходящих при участии фуллеренов, так и на значительные перспективы использования этих материалов в электронике, оптоэлектронике и других областях техники. Диапазон температуры сверхпроводящего перехода фуллеренов является рекордным для молекулярных сверхпроводников. Еще более высокая температура сверхпроводящего перехода (вплоть до 100К) ожидается для сверхпроводников на основе высших фуллеренов.

Необычными физико-химическими свойствами обладают также растворы фуллеренов в органических растворителях, что открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического облучения.

Открытие фуллеренов привлекло внимание специалистов в области синтеза искусственных алмазов. Превращение кристаллического фуллерена в алмаз происходит при значительно более мягких условиях, чем в случае традиционно используемого для этой цели графита. Механические свойства фуллеренов позволяют использовать их в качестве высокоэффективной твердой смазки.

С открытием фуллеренов многие связывают и возможный переворот в органической химии. Обладая высокой электроотрицательностью фуллерены выступают в химических реакциях как достаточно сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так, были получены пленки полифуллерита, пленки, обладающие пластическими свойствами, являющиеся новым типом полимерных материалов.

Другими уникальными соединениями фуллеренов являются эндоэдральные комплексы. В этих соединениях, уже синтезируемых в макроколичествах, один или несколько атомов металлов, неметаллов или даже отдельных молекул помещаются внутрь углеродной сферы. В частности, ожидается, что на основе эндоэдральных комплексов в будущем будут созданы высокоэффективные лекарства против рака. Фуллерены являются в настоящее время самым наилучшим депо для молекулярного водорода, что открывает большую перспективу их использования как высокоэффективного энергоносителя будущего.

Еще в 1994 году компания “Мицубиси” распространила сообщение о первом применении фуллеренов в электронике. Согласно этому сообщению, фуллерены используются в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи во многих отношениях аналогичны широко распространенным металлогидридным никелевым аккумуляторам, однако обладают в отличие от последних способностью запасать в пять раз больше энергии. Такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в этом плане аккумуляторов на основе лития.

При частичном термическом разрушении слоев графита могут образовываться не только молекулы фуллеренов, имеющие замкнутую сферическую или сфероидальную структуру, но также и длинные трубки, поверхность которых образуется правильными шестиугольниками. Эти трубки, длинной до нескольких микрометров и диаметром в несколько нанометров могут, в зависимости от условий получения, состоять из одного или нескольких слоев, иметь открытые или закрытые концы и обладать различными проводящими свойствами - от проводящих до изолирующих.

Учеными было показано, что в зависимости от расположения молекул фуллерена внутри нанотрубки система может проявлять свойства проводника, полупроводника или изолятора. Такие нанотрубки получили название «стручок». В будущем это может стать основой для создания сверхминиатюрных транзисторов, размеры которых измеряются в единицах нанометров. Схемы на основе таких нанотрубок также отличаются огромным быстродействием - скорость переключения состояния модели транзистора, состоящей из нанотрубки и одной молекулы фуллерена составляет всего 10 пикосекунд (1 пкс = 10-12 с). Кроме этого, перемещение горошин-фуллеренов в нанотрубке позволяет управлять явлением резонанса квантовых волн электронов. Таким образом «наностручки» могут стать средством для создания реальных квантовых компьютеров. Роль квантовой точки в этом случае будет играть молекула фуллерена. Однако реальное использование «наностручков» начнется, по-видимому, очень нескоро.



Успехи неорганической химии.

Одно из важных направлений в современной неорганической химии - изучение кластеров. Это класс химических соединений, в составе которых имеется разное число атомов переходных металлов; взаимодействие между атомами металлов может меняться от весьма слабого до сильного. Исследования в данной области существенно расширили наши представления о природе химической связи. Теперь мы знаем, как удивительно богата и красива эта химия, кластеры демонстрируют уникальную реакционную способность, велико также и практическое значение таких соединений.

Вполне понятно стремление химиков получить кластеры, содержащие все большее и

большее число атомов металла и имеющие наноразмеры. Еще недавно химики только мечтали о кластерах, содержащих несколько десятков атомов металла. Теперь кластеры, насчитывающие более 100 атомов металла, открыты. Кластерная химия открывает новую стратегию и в гетерогенном катализе, особенно в комбинации с туннельной сканирующей микроскопией. Игла микроскопа способна «капать» любые атомы, в любом числе на любые грани, ребра, террасы любого кристалла, создавая разнообразные каталитические микрореакторы и позволяя тестировать на них любые реакции.

Распространенность, а, следовательно, значимость кластеров существенно больше, чем представлялось до недавнего времени. Так, было экспериментально обнаружено (по рассеянию холодных нейтронов и рентгеновского излучения), что жидкий аммиак кластеризован: он состоит из кластеров (NH3)7 - одна молекула в центре, остальные на периферии. Хорошо известна кластерная структура жидкой воды: молекулы воды объединяются в гекса-, пента - и тетрамеры с близкими по энергии структурами типа призмы, а также в додекаэдры и другие крупные кластеры.

Замечательные успехи по получению больших кластеров достигнуты в химии полиоксометаллатов. Из малых фрагментов, состоящих из атомов металла и кислорода, можно формировать очень большие (наноразмерные) молекулярные кластеры с уникальной структурой. Важные сообщения пришли совсем недавно из лаборатории профессора А.Мюллера (университет Билефельд, Германия). Получен самый большой неорганический кластер, строение которого определено методом рентгеноструктурного анализа. Он содержит 248(!) атомов молибдена, связанных через мостиковые атомы кислорода. Структура кластера похожа на автомобильную покрышку.

Одно из интереснейших и перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет — разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов. По определению, композиционными называют материалы, состоящие из двух или более фаз с четкой межфазной границей. На практике же это — системы, которые содержат усиливающие элементы (волокна, пластины) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Удельные механические характеристики композитов заметно выше, чем у исходных компонентов. Именно благодаря усиливающему эффекту композиты отличаются от наполненных полимерных систем, в которых роль наполнителя сводится к удешевлению цены конечного продукта, но при этом заметно снижаются механические свойства материала.

Механические свойства композитов зависят от структуры и свойств межфазной границы. Так, сильное межфазное взаимодействие между матрицей и волокном-наполнителем обеспечивает высокую прочность материала, а значительно более слабое — ударную прочность. Однако в целом физические свойства конечного композита не могут превосходить свойств чистых компонентов. Другое дело нанокомпозиты — структурированные материалы со средним размером одной из фаз менее 100 нм.

Нанокомпозиты на основе полимеров и керамик сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления. Благодаря такому сочетанию улучшаются многие свойства материала по сравнению с исходными компонентами. Такие нанокомпозиты еще не приобрели коммерческой ценности. Однако очевидно, что в ближайшее время они найдут применение в качестве специальных твердых защитных покрытий и для неорганических, и для полимерных материалов, а также как световоды и оптические волокна, адгезивы, адсорбенты и, наконец, как новые конструкционные материалы.

Нанокомпозиты, содержащие металлы или полупроводники привлекают внимание прежде всего уникальными свойствами входящих в их состав кластеров, образованных разным количеством атомов металла или полупроводника — от десяти до нескольких тысяч. Нелинейные оптические свойства нанокластеров позволяют создавать на их основе управляемые квантовые светодиоды для применения в микроэлектронике и телекоммуникации.



Дендримеры.

До последнего времени объектами производства и исследований являлись почти исключительно цепные полимеры: линейные, разветвленные, сшитые, у которых длина цепи или линейного отрезка цепи существенно превосходит диаметр. В последние годы были синтезированы полимеры принципиально иного строения, которое напоминает строение кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, называются дендримерами (от греч. dendron - дерево). Получают дендримеры методом контролируемого многоступенчатого синтеза.

Дендримеры часто называют полимерами нового поколения, им предсказывают большое будущее как материалам специального назначения. Перечислим лишь те области, где дендримеры уже используются или определилась реальная перспектива их использования.

Предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул дендримеров делают их идеальными стандартами в масс-спектрометрии, электронной и атомной спектроскопии, ультрафильтрации. Наличие каналов и пор в макромолекулах дендримеров позволяет использовать их для капсулирования и иммобилизации гостевых низкомолекулярных молекул, в том числе и физиологически активных. Такие композиции, построенные по типу гость-хозяин, перспективны для применения в биологии, медицине, фармакологии, косметике. Высокая степень функциональности создает поистине неограниченные возможности для дальнейших превращений макромолекул дендримеров, которые могут привести к конструированию новых наноразмерных структур, модификации поверхности макромолекул с целью придания им ярко выраженных лиофобных или лиофильных свойств, к созданию нового типа нанесенных катализаторов.

Совершенная сферическая форма, жесткость молекулярного каркаса макромолекул регулярных дендримеров позволяют предположить у них наличие антифрикционных свойств и возможность использования в качестве компонентов смазочных материалов и лубрикантов.


Супрамолекулярная химия.

Супрамолекулярная химия – одна из самых молодых и в то же время бурно развивающихся областей химии. За 25 – 30 лет своего существования она уже успела пройти ряд важных этапов, но в то же время основные идеи и понятия этой дисциплины еще не являются общеизвестными и общепринятыми

Термин «супрамолекулярная химия» и основные понятия этой дисциплины были введены французским ученым Ж.-М. Леном в 1978 г. в рамках развития и обобщения более ранних работ (в частности, в 1973 г. в его трудах появился термин «супермолекула»). Пример определения, данного Леном: «супрамолекулярная химия – это «химия за пределами молекулы», изучающая структуру и функции ассоциаций двух или более химических частиц, удерживаемых вместе межмолекулярными силами». Во многих случаях компоненты, образующие супрамолекулярные системы, можно называть (по аналогии с системами, рассматриваемыми в молекулярной биологии) молекулярными рецептором и субстратом, причем последний является меньшим по размеру компонентом, связывания которого и необходимо добиться.

Объекты супрамолекулярной химии, супермолекулы, обладают такой же определенностью, как и составляющие их отдельные молекулы. Согласно Лену, супрамолекулярную химию можно разбить на две широкие, частично налагающиеся друг на друга области:

  • химию супермолекул – четко обозначенных олигомолекулярных частиц, возникающих в результате межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов – рецептора и его субстрата (субстратов) и строящихся по принципу молекулярного распознавания;

  • химию молекулярных ансамблей – полимолекулярных систем, которые образуются в результате спонтанной ассоциации неопределенного числа компонентов с переходом в специфическую фазу, имеющую более или менее четко обозначенную микроскопическую организацию и зависимые от ее природы характеристики (например, мембраны, везикулы, мицеллы).

Как считает Ж.-М. Лен, три понятия – фиксация (связывание), распознавание и координация – заложили фундамент супрамолекулярной химии. Межмолекулярные взаимодействия в супрамолекулярных образованьях слабее, чем ковалентные связи, так что супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы. Основные функции супермолекул: молекулярное распознавание, превращение (катализ) и перенос. Функциональные супермолекулы наряду с организованными полимолекулярными ансамблями и фазами могут быть использованы для создания молекулярных и супрамолекулярных устройств.

Последние достижения в супрамолекулярной химии и наиболее перспективные области ее использования связаны с процессами молекулярного распознавания и образования новых структур за счет так называемых «самопроцессов».

При синтезе сложных ковалентных частиц супрамолекулярная химия может быть использована для нужного размещения компонентов, например путем самосборки. Это открывает новые возможности в области синтеза сложных систем, причем в последние годы это направление стало одним из ведущих.

Еще одной перспективной областью развития супрамолекулярной химии является создание молекулярных и супрамолекулярных устройств. Можно выделить фотонные, электронные или ионные устройства, в зависимости от того, являются ли компоненты фотоактивными, электроактивными или ионоактивными соответственно, т.е. участвуют в поглощении или испускании фотонов, являются донорами или акцепторами электронов или участвуют в ионном обмене. Можно выделить два основных типа компонентов, входящих в такие устройства: активные компоненты, которые осуществляют заданную операцию (принимают, отдают или передают фотоны, электроны, ионы и т.д.), и структурные компоненты, которые участвуют в создании супрамолекулярной архитектуры, задавая необходимое пространственное расположение активных компонентов, в частности, за счет процессов распознавания. Кроме того, в состав устройства могут быть введены вспомогательные компоненты, назначение которых состоит в модифицировании свойств активных и структурных компонентов. Главным является то, что в отличие от обычных материалов компоненты и состоящие из них устройства должны выполнять свои функции на молекулярном и супрамолекулярном уровнях. Включение молекулярных устройств в супрамолекулярные системы позволяет получать функциональные супермолекулы или ансамбли (слои, пленки, мембраны и т.д.).

В последнее время удалось создать переключающиеся молекулярные ансамбли, изменяющие свою пространственную структуру в зависимости от действия таких внешних факторов, как рН среды или ее электрохимический потенциал (например, ротаксан). Полагают, что подобные молекулярные устройства обеспечат будущее развитие нанотехнологии, которая во многом заменит доминирующую сейчас полупроводниковую технологию.



Нанохимия.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Туннельный эффект — квантовое явление проникновения микро­частицы из одной классически доступной области движения в другую, от­делённую от первой потенциальным барьером. Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.

С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

Нанохимия - это: синтез нанодисперсных веществ и материалов, регулирование химических превращений тел нанометрового размера, предотвращение химической деградации наноструктур, способы лечения болезней с использованием нанокристаллов.

Направления исследований в нанохимии:

  • Разработка методов сборки крупных молекул из атомов с помощью наноманипуляторов; изучение внутримолекулярных перегруппировок атомов при механических, электрических и магнитных воздействиях.

  • Синтез наноструктур в потоках сверхкритической жидкости; разработка способов направленной сборки нанокристаллов с образованием фрактальных, каркасных, трубчатых и столбчатых наноструктур.

  • Разработка теории физико-химической эволюции ультрадисперсных веществ и наноструктур; создание способов предотвращения химической деградации наноструктур.

  • Получение новых нанокатализаторов для химической и нефтехимической промышленности; изучение механизма каталитических реакций на нанокристаллах.

  • Изучение механизмов нанокристаллизации в пористых средах в акустических полях; синтез наноструктур в биологических тканях; разработка способов лечения болезней путем формирования наноструктур в тканях с патологией.

  • Исследование явления самоорганизации в коллективах нанокристаллов; поиск новых способов пролонгирования стабилизации наноструктур химическими модификаторами.

Ожидаемые результаты - будет разработан функциональный ряд машин, обеспечивающий:

  • Методология изучения внутримолекулярных перегруппировок при локальных воздействиях на молекулы.

  • Новые катализаторы для химической промышленности и лабораторной практики; оксидно-редкоземельные и ванадиевые нанокатализаторы с широким спектром действия.

  • Методология предотвращения химической деградации технических наноструктур; методики прогноза химической деградации.

  • Нанолекарства для терапии и хирургии; препараты на основе гидроксиапатита для стоматологии.

  • Способ лечения онкологических заболеваний путем проведения внутриопухолевой нанокристаллизации и наложения акустического поля.

  • Методы создания наноструктур путем направленного агрегирования нанокристаллов; методики регулирования пространственной организации наноструктур.

  • Новые химические сенсоры с ультрадисперсной активной фазой; методы увеличения чувствительности сенсоров химическим модифицированием.



Фемтохимия.

Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило крупный прорыв в фемтохимию; это новая химия, детектирующая химические события в масштабе ультракоротких времён 10-15-10-14 с (1-10 фемтосекунд). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10-13-10-11 с). Благодаря такому соотношению времён фемтохимия «видит» саму химическую реакцию - как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов. Это крупный прорыв в современной химии: он открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки - фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии (ППЭ) и т.д. Основные направления этих новых областей исследований – это исследования детальных микроскопических химических и биологических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени.









Спиновая химия.

Спиновая химия уникальна: она вводит в химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный «сценарий» реакции.

Дизайн молекулярных магнетиков — одно из новых научных направлений современной химии, связанное с синтезом систем высокой размерности. Сегодня достижения современной химии таковы, что химики могут ставить перед собой сверхзадачу — синтезировать в мягких условиях готовое изделие, скажем, монокристалл, сразу, как цельный макрообъект, из исходных молекулярных компонентов. При этом становятся равноправно значимыми как внутримолекулярные, так и межмолекулярные взаимодействия и связи. Причем, и это особенно важно, они должны быть не какими-то случайными, а выполняющими определенную функциональную нагрузку. В результате из отдельных молекул должен получиться макрообъект с неким кооперативным свойством, которое присуще природе кристалла, т.е. природе макроансамбля, но никак не отдельно взятой молекуле.

Поскольку в итоге мы получаем многоспиновую молекулу (каждая молекула содержит неспаренный электрон (спиновую метку)) — это можно отнести к спиновой химии. Особенно интересующие нас в данном случае макросвойства, такие как, скажем, магнетизм — свойства физического порядка. В этот момент соединяются в целое интересы химии и физики.

В чем заключается особенность таких соединений? Это материалы будущего, новые компоненты элементной базы будущего, причем совсем не отдаленного. Молекулярные магнетики обладают разнообразным сочетанием физических характеристик, которое для классических магнитных материалов трудно было даже представить. Сегодня мы научились получать кристаллы молекулярных магнетиков, которые по сравнению с классическими магнитными материалами необычайно легкие, поскольку их плотность в 5-7 раз меньше. При этом они могут быть оптически прозрачными в видимой и инфракрасной областях спектра. И еще одна из особенностей — они, как правило, диэлектрики, т.е. не требуют каких-то специальных изоляционных покрытий при контакте с электропроводящими устройствами. Они совершенно не токсичны и устойчивы к коррозии. Молекулярные магнетики могут найти приложения в следующих областях: магнитная защита от низкочастотных полей, трансформаторы и генераторы, имеющие малый вес, научное приборостроение, криогенная техника, информационные технологии, медицина, энергетика.



Каталитическая химия.

Проводится большая работа в области каталитической химии: исследуются механизм каталитических реакций, новые катализаторы и методы осуществления каталитических реакций, протекание каталитических реакций под воздействием физико-химических факторов и т.д.

Вот некоторые из перспективных исследований. В настоящее время решается проблема превращения диоксида углерода в органические соединения. Результаты исследований по данному вопросу представляют интерес в связи с двумя обстоятельствами. Первое заключается в использовании в качестве катализаторов водород-аккумулирующих интерметаллидов, способных накапливать значительные количества водорода в своей структуре и затем высвобождать этот водород в активной форме. Таким образом, дальнейшее развитие этих исследований интересно для создания водородных источников топлива (водородных аккумуляторов) для транспорта и автономно движущихся средств. Другое направление возможной прикладной реализации проекта - это новый метод извлечения СО2 и его трансформации в жидкие углеводороды. Одновременно с очисткой атмосферы от СО2 будет происходить накопление топливных ресурсов.

Другой проект посвящен изучению воздействия горения разнородных по содержанию составов вблизи поверхности тел, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, на их аэродинамическое сопротивление. Завершен цикл экспериментальных исследований влияния горения пиротехнических смесей на снижение сопротивления движущихся тел. Результаты этого проекта имеют существенное значение для решения проблем аэродинамики.

Установлено, что наноструктурированные фотокатализаторы на основе смешанных оксидов олова и цинка обладают высокой эффективностью в фотокаталитическом разложении высокотоксичных хлорорганических соединений без образования диоксинов (т.к. происходит его полное разложение). Результаты данного проекта могут найти применение для создания систем очистки воздуха и сточных вод от хлорорганических соединений.

Впервые разработаны методики фотохимического получения высокодисперсных, устойчивых (свыше 1 года) оптически прозрачных компактных пленок коллоидной меди, серебра и золота на поверхности гладкого кварца и в объеме матриц различной жесткости (поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, пористое стекло). Новизна и значимость результатов исследований по данному проекту определяются тем, что коллоиды металлической меди, полученные фотохимическим методом, обладают ярко выраженными каталитическими свойствами. Это позволяет использовать такие коллоиды в качестве катализаторов, например, в процессах безэлектродной металлизации диэлектриков, и в частности, волокон синтетических и натуральных тканей. Это представляет интерес для создания новых материалов, используемых для защиты от теплового и иных видов излучений.

Проводится работа, посвященная исследованию суперконцентрированных растворов электролитов в пористых телах. В ходе выполнения проекта разработаны методы синтеза суперконцентрированных растворов хлорида кальция и бромида лития в пористой матрице. Результаты выполнения проекта могут найти применение для разработки активной тепловой защиты оборудования от высокоэнергетических воздействий за счет большой теплоемкости разработанного материала, а также создания аккумуляторов воды для использования в засушливых местностях.

В одном из проектов получен новый тип каталитических систем для глубокого окисления с использованием кремнеземных стекловолокнистых тканых материалов (КСВК), активированных путем имплантации ионов металла в стекловолокна. Разработанный метод приготовления не имеет аналогов в мировой исследовательской и производственной практике. В силу высокой активности данных катализаторов они могут применяться для очистки воздуха от токсичных примесей, при окислении водорода, очистке выхлопных газов автотранспорта и т.п.

Особо следует отметить проект, где разработаны основы синтеза новых фторсодержащих негорючих эластомеров и пластиков с высокой термо-, морозо- и хемостойкостью. Полученные полимеры представляют собой прозрачные стеклообразные материалы светло-желтого цвета. В интервале температур 350-450оС полимер сначала теряет около 40% массы, а затем скорость распада уменьшается, что указывает на образование вторичных, более термостабильных полимерных структур. Областью применения новых полимеров может являться, прежде всего, техника (авиация, транспорт и др.), где требуются материалы, устойчивые к низким и высоким температурам.



«Экстремальная» химия.

Современная химия, раздвигая свои горизонты, активно вторгается в области, которые для «классической» химии не представляли интереса или были недостижимы. Все стремительнее происходит переход от «освоенных» режимов и условий проведения реакций к экстремальным, неклассическим и даже экзотическим условиям: сильные электрические и магнитные поля, сверхвысокие давления и сдвиговые деформации, мощные световые поля, сравнимые по напряженности с электрическими полями внутри молекул, суперкритические условия, мощные гравитационные, звуковые и микроволновые поля и т. д.

К последним химическим достижениям в «экстремальной» химии следует отнести синтез металлического водорода и реакцию трития с водородом и дейтерием в нормальном жидком и в сверхтекучем квантовом гелии. Оказалось, что огромные изотопные эффекты в этой реакции различны в нормальном и квантовом гелии.

В ультракоротких лазерных импульсах (с длительностью 10 фс и менее) сконцентрированы огромной мощности оптические излучения и мощные электрические поля, что сразу же стимулировало поиск новых возможных эффектов. Действительно, взаимодействие оптических и электрических полей с электронными оболочками молекул порождает многочисленные необычные эффекты. В отличие от химической радиофизики, где работает магнитная компонента микроволнового поля, микроволновая химия использует электрическую компоненту этого поля. И микроволновая, и ультразвуковая химия рассматриваются как новые средства в синтетической химии.

К «экстремальной» химии, бесспорно, принадлежит химия в высоких гравитационных полях (наравне с химией в невесомости). Резкое увеличение силы тяжести молекул, кластеров и ассоциатов в таких полях должно производить новые эффекты: изменять величину и знак градиентов концентраций, смещать равновесия, инвертировать фазы по их плотности, изменять скорости и конкуренцию процессов. Возможности здесь практически безграничны, и весь вопрос лишь в доступности технических средств для их реализации.

Область низких температур (вблизи 4 К) химия освоила достаточно давно. Наиболее яркий итог - открытие квантового механизма химических реакций, т. е. подбарьерного туннелирования, и его следствий (гигантские изотопные эффекты, не зависящая от температуры предельная скорость реакций). Это, конечно, тоже «экстремальная» химия.

Химию при температурах 10-4 - 10 -6 K следует оценивать как «экзотическую». Получение ультрахолодных атомов (их кинетическая температура составляет 10-4 - 10 -6 K, можно даже достичь температур 10 -10) основано на изменении их скорости движения при поглощении оптического кванта (лазерное охлаждение атомов). Удалось создать новое состояние вещества - кристаллический газ. Ультрахолодные, лишенные кинетической энергии атомы представляют интерес для точной спектроскопии и метрологии, для зондирования потенциалов атом-атом и атом-поверхность, для экспериментальной проверки постулатов квантовой электродинамики одноатомного мазера.



Заключение.

Оценивая общие тенденции и уже имеющиеся результаты научно-технического развития можно говорить о том, что мир вступает в новую эволюционную фазу, которую можно назвать вторичной эволюцией, когда в противостоянии «технология – эволюция», влияние технологии начинает превалировать, радикально меняя и биосферу, и самого человека.

Преображаются глубинные основы химической технологии. Во-первых, квантово-химическая теория строения вещества в сочетании с моделирующими возможностями супер-ЭВМ позволяет точно прогнозировать свойства синтезируемого вещества и путь его синтеза. Во-вторых, развитие тонких методов катализа, «прицельной» химии расщепления и сшивки крупных молекулярных фрагментов и другие подобные методы превращают химика как бы в зодчего новых химических форм.

Наконец, ведется интенсивный поиск путей самоформирования все более высокоорганизованных химических структур. Почти фантастические перспективы развития в этом направлении наметились в области химии быстропротекающих процессов - взрыва, пламени, плазмы. Эти процессы, играющие ключевую роль в автомобильном, воздушном и морском транспорте, космонавтике, гидрометаллургии и т.д., остаются до настоящего времени мало изученными.

Во второй половине 80-х годов началось интенсивное исследование тонких механизмов быстрых реакций методом комбинационного рассеяния в скрещенных лучах лазеров, что позволяет осуществить как бы томографию пламени. Задача, в конечном счете, сводится к синтезу композиции вещества, который обеспечит саморегулирование быстрых процессов и их эффективное протекание в нужном направлении.

Развитию химической технологии не уступает механическая. На основе гибких втоматизированных линий и обрабатывающих центров преобразуется парк металлообрабатывающих станков, формируется новая научно-технологическая область твердотельной микромеханики, в туннельных и других зондовых микроскопах достигается субатомная точность микромеханического (точнее наномеханического) привода, быстро возрастает число степеней свободы в механических системах роботов, развивается космическая механика свободного полета и невесомости и т.д.

Развитие структурного принципа проектирования и управления производственными процессами, его распространение на технологические комплексы положили начало синтезу разнородных технологий с целью образования единой и органичной метатехнической системы. Но в то же время материальная технология продолжает интенсивное развитие в направлении более глубоких уровней строения материи. Это проявляется прежде всего в микротехнологии, на которой основана вся аппаратная база информатики, в генной инженерии, в работах, направленных на их синтез в рамках программ молекулярной электроники и нанотехнологии.

Существенные изменения произойдут и в принципах работы микроэлектронных устройств, а также информационных машин и систем, основанных на них. Квантовые вероятностные и коллективные электронные процессы станут основой действия элементов вычислительных систем.

Интересные изменения ожидаются и в области биоподобных структур. Готовится синтез микробиологических исследований на молекулярном и субклеточном уровне, медикобиологических исследований иммунных механизмов, нейронных и биоэнергетических механизмов жизнедеятельности, с одной стороны, и функциональных устройств молекулярного уровня, которые совмещали бы в себе принципы действия электронных и биологических систем, с другой стороны.

Итак, подведем итог: что было самым ценным, новым, перспективным, неожиданным в химии как науке в 20 веке?

  • синтез новых, не существующих в природе, химических элементов;

  • разработка метода полярографии;

  • создание фундаментальной пограничной дисциплины — квантовой химии;

  • расшифровка структуры (двойной спирали) дезоксирибонуклеиновой кислоты;

  • синтез фуллеренов;

  • синтез дендримеров;

  • синтез неметаллических (в том числе стеклообразных) полупроводников;

  • синтез неметаллических (керамических) высокотемпературных сверхпроводников;

  • создание мультисенсорных систем типа «электронный нос», «электронный язык» на основе неселективных сенсоров, разработка методов распознавания образов (с применением искусственных нейронных сетей) при интеграции химии, физики, математики.

Чем химия как наука будет заниматься в 21 веке?

  • Компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций;

  • синтез и исследование наноструктур, развитие и применение нанотехнологий;

  • синтез полимерных полупроводников;

  • синтез суперселективных катализаторов;

  • спиновая химия;

  • химия чрезвычайно быстротекущих реакций (фемтохимия );

  • развитие электроники на молекулярном уровне;

  • создание «молекулярных машин»;

  • создание и развитие «химической медицины», решение проблемы «химического бессмертия».



Литература.



  1. Бутин К.П. Механизмы органических реакций: достижения и перспективы - Российский химический журнал, сер.2, том XLV, 2001, №2

  2. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы – Успехи химии, 1999, том 68, с. 85-102

  3. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структура углерода – УФН 165, 977, 1995

  4. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной органической химии – Соросовский Образовательный Журнал, 1996

  5. Зоркий П.М. Структурная химия на рубеже веков – Российский химический журнал, сер.2, том XLV, 2001, №2

  6. Зоркий П.М., Лубнина И.Е. Супрамолекулярная химия: возникновение, развитие, перспективы – Вестник Московского университета, сер.2, Химия, 1999, т 40, №5, с. 300-307

  7. Игнатьева Г.М., Ребров Е.А., Мякушев В.Д. и др. Высокомолекулярные соединения – Успехи химии 1997, т.39, №8, с.12-71

  8. Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия – Успехи химии 2001, т.70, №6, с.515-538

  9. Семчиков Ю.Д. Дендримеры – новый класс полимеров – Соросовский образовательный журнал №12, 1998, с.45-51

  10. Сумм Б.Д.,Иванова Н.И. Коллоидно-химические аспекты нанохимии от Фарадея до Пригожина – Вестник Московского Университета, Химия 2001, том 42, №5, с.300-305

  11. Федин В. Гигантские неорганические кластеры – «Наука в Сибири», 1999, №8

  12. Фундаментальные исследования в области катализа и гетерогенных химических реакций и перспективы их использования – Вестник РФФИ №2, июнь 2001

  13. Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты – «Природа» №7, 2000

  14. Шибаев В.П. Жидкокристаллические полимеры – Соросовский Образовательный Журнал, 1997, №6, с.40-48









© Рефератбанк, 2002 - 2017