Kristal ionik ideal terdiri dari ion bola bermuatan positif dan negatif. Jika tidak semuanya, maka setidaknya beberapa senyawa alkali halida, yaitu, paling konsisten dengan gagasan ini. garam yang dibentuk oleh salah satu logam alkali (litium, natrium, kalium, rubidium, sesium) dan salah satu halogen (fluor, klor, brom, yodium). Ada bukti bahwa kristal garam ini memang dibentuk oleh ion logam positif dan ion halogen bermuatan negatif. Yang paling langsung di antaranya adalah data analisis difraksi sinar-X, yang menjadi dasar perhitungan distribusi muatan elektronik (cm. Nasi. 9 untuk kasus NaCl).(22,74 Kb)

Fakta bahwa padatan seperti itu terdiri dari ion dan bukan atom dapat dijelaskan sebagai berikut. Pertama-tama, semua atom logam alkali memiliki satu elektron valensi terluar, sedangkan kulit terluar atom halogen mengandung tujuh elektron valensi. Ketika elektron valensi berpindah dari atom logam alkali ke atom halogen, dua ion terbentuk, yang masing-masing memiliki karakteristik konfigurasi elektronik yang stabil dari atom gas inert. Yang lebih penting adalah perolehan energi karena gaya tarik Coulomb antara ion positif dan negatif. Pertimbangkan natrium klorida (NaCl) sebagai contoh. Untuk melepaskan elektron (valensi) terluar dari atom Na, Anda perlu mengeluarkan 5,14 eV (energi ionisasi). Ketika elektron ini melekat pada atom Cl, ada perolehan energi sebesar 3,61 eV (energi afinitas elektron). Jadi, energi yang diperlukan untuk transisi elektron valensi dari Na ke Cl adalah (

5,14 - 3.61) eV = 1,53 eV. Energi tarik-menarik Coulomb antara dua ion Na yang muncul+ dan Cl- pada jarak antara mereka (dalam kristal) sama dengan 2,18, adalah 5,1 eV. Nilai ini lebih dari mengkompensasi energi total transisi elektron dan menyebabkan penurunan energi total sistem ion dibandingkan dengan sistem atom bebas yang serupa. Ini adalah alasan utama bahwa senyawa alkali halida terdiri dari ion, bukan atom.

Menghitung energi kristal ionik sebenarnya lebih rumit daripada yang terlihat dari diskusi di atas. Tetapi setidaknya untuk kristal alkali halida, ada kesepakatan yang baik antara nilai teoritis dan eksperimental dari energi ikat. Ikatan ionik cukup kuat, seperti yang ditunjukkan, misalnya, dengan titik leleh tinggi 1074 K untuk NaCl.

Karena tingkat stabilitas struktur elektronik yang tinggi, kristal ionik termasuk dalam kategori dielektrik. Karena ion positif dan negatif berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik, kristal ionik menunjukkan penyerapan optik yang kuat di wilayah spektrum inframerah. (Frekuensi medan listrik eksternal yang berosilasi di wilayah spektrum ini mendekati frekuensi alami gelombang kisi transversal, di mana ion positif dan negatif dari kristal bergerak dalam arah yang berlawanan.) Di wilayah spektrum yang terlihat, frekuensi osilasi terlalu tinggi untuk ion besar memiliki waktu untuk menanggapi aksi gelombang tersebut. Oleh karena itu, gelombang cahaya melewati kristal tanpa interaksi, mis. kristal seperti itu transparan. Pada frekuensi yang lebih tinggi - di wilayah spektrum ultraviolet - kuanta medan dapat memiliki energi yang cukup untuk membangkitkan elektron valensi, yang memastikan transisi elektron valensi ion negatif ke keadaan kosong ion positif. Ini mengarah pada penyerapan optik yang kuat.

kristal kovalen. Kristal kovalen yang paling terkenal adalah berlian, silikon dan germanium. Setiap atom dalam kristal tersebut dikelilingi oleh empat atom tetangga yang terletak di simpul tetrahedron biasa. Atom bebas dari masing-masing unsur ini memiliki empat elektron valensi, dan ini cukup untuk membentuk empat ikatan elektron berpasangan (antara atom ini dan empat tetangga terdekatnya). Dengan demikian, dua elektron dikumpulkan oleh dua atom yang membentuk ikatan, dan terletak di ruang di sepanjang garis yang menghubungkan atom-atom tersebut. Ini adalah ikatan yang hampir sama seperti antara dua atom hidrogen dalam molekul hidrogen H 2 . Dalam berlian, ikatan ini sangat kuat, dan karena mereka memiliki arah yang jelas satu sama lain, berlian adalah bahan yang sangat keras. Kekuatan ikatan kovalen elektron dengan kristal ditandai dengan apa yang disebut celah energi - energi minimum yang harus ditransfer ke elektron agar dapat bergerak bebas di dalam kristal dan menciptakan arus listrik. Untuk intan, silikon, dan germanium, lebar celah ini masing-masing adalah 5,4, 1,17, dan 0,744 eV. Oleh karena itu, berlian adalah dielektrik yang baik; energi getaran termal di dalamnya pada suhu kamar terlalu kecil untuk melepaskan elektron valensi. Dalam silikon, dan terutama di germanium, karena lebar celah energi yang relatif kecil, eksitasi termal sejumlah elektron valensi tertentu dimungkinkan pada suhu kamar. Jadi, mereka menghantarkan arus, tetapi karena konduktivitasnya jauh lebih kecil daripada logam, silikon dan germanium diklasifikasikan sebagai semikonduktor.

Untuk konsep nanoteknologi, mungkin, tidak ada definisi yang lengkap, tetapi dengan analogi dengan mikroteknologi yang ada saat ini, maka nanoteknologi adalah teknologi yang beroperasi pada nilai orde nanometer. Oleh karena itu, transisi dari "mikro" ke "nano" adalah transisi kualitatif dari manipulasi materi ke manipulasi atom individu. Ketika datang ke pengembangan nanoteknologi, ada tiga bidang dalam pikiran: pembuatan sirkuit elektronik (termasuk yang volumetrik) dengan elemen aktif sebanding dengan ukuran molekul dan atom; pengembangan dan pembuatan mesin nano; manipulasi atom individu dan molekul dan perakitan objek makro dari mereka. Perkembangan di bidang-bidang tersebut telah berlangsung sejak lama. Pada tahun 1981, mikroskop tunneling diciptakan yang memungkinkan transfer atom individu. Efek terowongan adalah fenomena kuantum penetrasi mikropartikel dari satu area gerak yang dapat diakses secara klasik ke yang lain, dipisahkan dari yang pertama oleh penghalang potensial. Dasar dari mikroskop yang ditemukan adalah jarum yang sangat tajam yang meluncur di atas permukaan yang diteliti dengan celah kurang dari satu nanometer. Dalam hal ini, elektron dari ujung terowongan jarum melalui celah ini ke substrat.

Namun, selain mempelajari permukaan, penciptaan mikroskop jenis baru membuka cara baru yang fundamental untuk pembentukan elemen berukuran nanometer. Hasil unik diperoleh pada pergerakan atom, pemindahan dan pengendapannya pada titik tertentu, serta stimulasi lokal proses kimia. Sejak itu, teknologi telah sangat ditingkatkan. Saat ini, pencapaian ini digunakan dalam kehidupan sehari-hari: produksi cakram laser apa pun, dan terlebih lagi, produksi DVD tidak mungkin dilakukan tanpa menggunakan metode kontrol nanoteknik.

Nanokimia adalah sintesis zat dan bahan terdispersi nano, regulasi transformasi kimia benda berukuran nanometer, pencegahan degradasi kimia struktur nano, metode pengobatan penyakit menggunakan kristal nano.

Berikut ini adalah bidang-bidang penelitian dalam nanokimia:

• - pengembangan metode untuk merakit molekul besar dari atom menggunakan nanomanipulator;
• - studi penataan ulang intramolekul atom di bawah pengaruh mekanik, listrik dan magnet. Sintesis struktur nano dalam aliran fluida superkritis; pengembangan metode untuk perakitan terarah dengan pembentukan struktur nano fraktal, wireframe, tubular dan kolumnar.
• - pengembangan teori evolusi fisik dan kimia zat ultrafine dan struktur nano; penciptaan cara untuk mencegah degradasi kimia struktur nano.
• - memperoleh nanokatalis baru untuk industri kimia dan petrokimia; mempelajari mekanisme reaksi katalitik pada nanocrystals.
• - studi mekanisme nanokristalisasi dalam media berpori di bidang akustik; sintesis struktur nano dalam jaringan biologis; pengembangan metode untuk mengobati penyakit dengan membentuk struktur nano dalam jaringan dengan patologi.
• - studi tentang fenomena pengorganisasian diri dalam kelompok nanocrystals; mencari cara baru untuk memperpanjang stabilisasi struktur nano oleh pengubah kimia.
• - Hasil yang diharapkan adalah rangkaian fungsional mesin yang menyediakan:
• - metodologi untuk mempelajari penataan ulang intramolekul di bawah efek lokal pada molekul.
• - katalis baru untuk industri kimia dan praktik laboratorium;
• - oksida-tanah jarang dan nanokatalis vanadium dengan spektrum aksi yang luas.
• - metodologi untuk mencegah degradasi kimia struktur nano teknis;
• - Metode untuk memprediksi degradasi kimia.
• - obat nano untuk terapi dan pembedahan, sediaan berdasarkan hidroksiapatit untuk kedokteran gigi;
• - metode untuk pengobatan penyakit onkologis dengan melakukan nanokristalisasi intratumoral dan menerapkan medan akustik.
• - metode untuk membuat struktur nano dengan agregasi terarah dari kristal nano;
• - metode untuk mengatur organisasi spasial struktur nano.
• - sensor kimia baru dengan fase aktif ultrafine; metode untuk meningkatkan sensitivitas sensor dengan modifikasi kimia.

Nanokimia adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari sifat, struktur dan karakteristik transformasi kimia partikel nano. Ciri khas nanokimia adalah adanya efek ukuran - perubahan kualitatif dalam sifat fisikokimia dan reaktivitas dengan perubahan jumlah atom atau molekul dalam partikel. Biasanya, efek ini diamati untuk partikel yang lebih kecil dari 10 nm, meskipun nilai ini memiliki nilai bersyarat.

Arah penelitian dalam nanokimia

Pengembangan metode untuk merakit molekul besar dari atom menggunakan nanomanipulator; studi penataan ulang intramolekul atom di bawah pengaruh mekanik, listrik dan magnet.

Sintesis struktur nano dalam aliran fluida superkritis; pengembangan metode untuk perakitan diarahkan nanocrystals.

Pengembangan teori evolusi fisik dan kimia zat ultrafine dan struktur nano; penciptaan cara untuk mencegah degradasi kimia struktur nano.

Memperoleh katalis baru untuk industri kimia dan petrokimia; mempelajari mekanisme reaksi katalitik pada nanocrystals.

Kajian mekanisme nanokristalisasi pada media berpori di bidang akustik; sintesis struktur nano dalam jaringan biologis.

Studi fenomena self-organization dalam kelompok nanocrystals; mencari cara baru untuk memperpanjang stabilisasi struktur nano oleh pengubah kimia.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan berbagai fungsi mesin yang menyediakan:

Katalis baru untuk industri kimia dan praktik laboratorium.

Metodologi untuk mencegah degradasi kimia struktur nano teknis; metode untuk memprediksi degradasi kimia.

Mendapatkan obat baru.

Metode pengobatan penyakit onkologi dengan melakukan nanokristalisasi intratumoral dan penerapan medan akustik.

Sensor kimia baru; metode untuk meningkatkan sensitivitas sensor.

Teknologi nano dalam industri energi dan kimia

Nanoteknologi (Yunani nanos - "kurcaci" + "techno" - seni, + "logos" - doktrin, konsep) adalah bidang interdisipliner sains dan teknologi dasar dan terapan, berurusan dengan metode inovatif (di bidang pembuktian teoretis, metode eksperimental penelitian, analisis dan sintesis, serta di bidang industri baru) memperoleh bahan baru dengan sifat yang diinginkan. Nanoteknologi menggunakan teknologi terbaru untuk memanipulasi atom atau molekul tunggal (gerakan, permutasi, kombinasi baru). Berbagai metode (mekanik, kimia, elektrokimia, listrik, biokimia, berkas elektron, laser) digunakan untuk mengatur struktur atom dan molekul objek nano secara artifisial.

Teknologi nano dalam energi

Nanoteknologi di bidang energi dan teknik mesin

Di wilayah ini, perkembangan NT berjalan dalam dua arah:

1- pembuatan bahan struktural,

2- permukaan nanoengineering

Pembuatan bahan bangunan,

Untuk membuat bahan struktural baru yang fundamental dengan memasukkan elemen ultradispersi (atau nanodispersi), jalur berikut diambil. Yang pertama adalah penambahan elemen ultrafine sebagai dopan. Untuk bahan struktural dalam teknik mesin dan energi, fullerene eksotis, sangat mahal Arah kedua adalah penciptaan sistem ultrafine (UDS) inklusi non-logam dalam baja dan paduan, dilakukan oleh termoplastik, deformasi termal atau plastik. Ternyata dimungkinkan untuk mengontrol sifat kinerja bahan struktural tidak hanya dengan memasukkan komponen paduan, yang, menurut ahli metalurgi, praktis habis, tetapi juga dengan deformasi dalam bentuk apa pun. Dengan dampak seperti itu, penghancuran inklusi non-logam terjadi. Anil dan tempering tradisional tidak lain adalah nanoteknologi dalam metalurgi.

Sebagai hasil dari pengaruh tersebut, dimungkinkan untuk memperoleh baja (baja nitrogen di Prometheus), di mana kekuatan tinggi dikombinasikan dengan keuletan, yaitu, justru sifat-sifat yang kurang di sektor energi, dalam teknik mesin, untuk mendapatkan bahan dengan karakteristik yang diinginkan. Dan nanoteknologi memungkinkan untuk berhasil mendapatkan bahan-bahan tersebut.