ის ფაქტი, რომ ასეთი მყარი ნივთიერებები შედგება იონებისგან და არა ატომებისგან, შეიძლება აიხსნას შემდეგნაირად. უპირველეს ყოვლისა, ყველა ტუტე ლითონის ატომს აქვს ერთი გარე ვალენტური ელექტრონი, ხოლო ჰალოგენის ატომების გარე გარსი შეიცავს შვიდ ვალენტურ ელექტრონს. როდესაც ვალენტური ელექტრონი გადადის ტუტე ლითონის ატომიდან ჰალოგენის ატომში, წარმოიქმნება ორი იონი, რომელთაგან თითოეულს აქვს ინერტული აირის ატომებისთვის დამახასიათებელი სტაბილური ელექტრონული კონფიგურაცია. კიდევ უფრო მნიშვნელოვანია ენერგიის მომატება დადებით და უარყოფით იონებს შორის კულონის მიზიდულობის გამო. განვიხილოთ ნატრიუმის ქლორიდი (NaCl), როგორც მაგალითი. Na ატომიდან გარე (ვალენტური) ელექტრონის მოსაშორებლად, თქვენ უნდა დახარჯოთ 5,14 ევ (იონიზაციის ენერგია). როდესაც ეს ელექტრონი მიმაგრებულია Cl ატომთან, არის ენერგიის მომატება 3,61 ევ (ელექტრონების აფინურობის ენერგია). ამრიგად, ვალენტური ელექტრონის Na-დან Cl-ზე გადასვლისთვის საჭირო ენერგია არის (
5,14 - 3.61) eV = 1.53 eV. კულონის მიზიდულობის ენერგია ორ წარმოქმნილ Na იონს შორის+ და Cl- მათ შორის მანძილზე (კრისტალში) უდრის 2,18, არის 5.1 ევ. ეს მნიშვნელობა ანაზღაურებს ელექტრონის გადასვლის მთლიან ენერგიას და იწვევს იონების სისტემის მთლიანი ენერგიის შემცირებას თავისუფალი ატომების მსგავს სისტემასთან შედარებით. ეს არის მთავარი მიზეზი იმისა, რომ ტუტე ჰალოიდური ნაერთები შედგება იონებისგან და არა ატომებისგან.იონური კრისტალების ენერგიის გამოთვლა რეალურად უფრო რთულია, ვიდრე ეს ზემოაღნიშნული განხილვიდან ჩანს. მაგრამ ყოველ შემთხვევაში, ტუტე ჰალოიდის კრისტალებისთვის, არსებობს კარგი შეთანხმება სავალდებულო ენერგიის თეორიულ და ექსპერიმენტულ მნიშვნელობებს შორის. იონური ბმები საკმაოდ ძლიერია, როგორც ეს მიუთითებს, მაგალითად, მაღალი დნობის წერტილით 1074 K NaCl-ისთვის.
ელექტრონული სტრუქტურის სტაბილურობის მაღალი ხარისხის გამო, იონური კრისტალები მიეკუთვნება დიელექტრიკების კატეგორიას. იმის გამო, რომ დადებითი და უარყოფითი იონები ურთიერთქმედებენ ელექტრომაგნიტურ ტალღებთან, იონური კრისტალები ავლენენ ძლიერ ოპტიკურ შთანთქმას სპექტრის ინფრაწითელ რეგიონში. (სპექტრის ამ რეგიონში რხევადი გარე ელექტრული ველის სიხშირე უახლოვდება განივი გისოსების ტალღების ბუნებრივ სიხშირეს, რომლებშიც ბროლის დადებითი და უარყოფითი იონები საპირისპირო მიმართულებით მოძრაობენ.) სპექტრის ხილულ რეგიონში, რხევების სიხშირე ძალიან მაღალია იმისთვის, რომ მასიური იონები არ ჰქონდეთ დრო, რომ უპასუხონ ასეთი ტალღების მოქმედებას. ამიტომ სინათლის ტალღები კრისტალში ურთიერთქმედების გარეშე გადის, ე.ი. ასეთი კრისტალები გამჭვირვალეა. კიდევ უფრო მაღალ სიხშირეებზე - სპექტრის ულტრაიისფერ რეგიონში - ველის კვანტებს შეიძლება ჰქონდეთ საკმარისი ენერგია ვალენტური ელექტრონების აღგზნებისთვის, რაც უზრუნველყოფს უარყოფითი იონების ვალენტური ელექტრონების გადასვლას დადებითი იონების დაუკავებელ მდგომარეობებზე. ეს იწვევს ძლიერ ოპტიკურ შთანთქმას.
კოვალენტური კრისტალები. ყველაზე ცნობილი კოვალენტური კრისტალებია ბრილიანტი, სილიციუმი და გერმანიუმი. ასეთ კრისტალებში თითოეული ატომი გარშემორტყმულია ოთხი მეზობელი ატომით, რომლებიც განლაგებულია რეგულარული ტეტრაედრის წვეროებზე. თითოეული ამ ელემენტის თავისუფალ ატომს აქვს ოთხი ვალენტური ელექტრონი და ეს საკმარისია ოთხი დაწყვილებული ელექტრონული ბმის შესაქმნელად (ამ ატომსა და მის ოთხ უახლოეს მეზობელს შორის). ამრიგად, ორი ელექტრონი კოლექტივირებულია ორი ატომით, რომლებიც ქმნიან კავშირს და განლაგებულია სივრცეში ატომების დამაკავშირებელი ხაზის გასწვრივ. ეს არის თითქმის იგივე კავშირი, რაც წყალბადის ორ ატომს შორის წყალბადის მოლეკულაში H 2 . ალმასში ეს ობლიგაციები ძალიან ძლიერია და ვინაიდან მათ აქვთ მკაცრად განსაზღვრული მიმართულება ერთმანეთთან შედარებით, ბრილიანტი უკიდურესად მძიმე მასალაა. ელექტრონის კრისტალთან კოვალენტური ბმის სიძლიერეს ახასიათებს ეგრეთ წოდებული ენერგეტიკული უფსკრული - მინიმალური ენერგია, რომელიც უნდა გადაეცეს ელექტრონს, რათა მან თავისუფლად იმოძრაოს კრისტალში და შექმნას ელექტრული დენი. ალმასისთვის, სილიკონისა და გერმანიუმისთვის, ამ უფსკრულის სიგანე არის შესაბამისად 5.4, 1.17 და 0.744 ევ. ამიტომ, ბრილიანტი კარგი დიელექტრიკია; მასში თერმული ვიბრაციების ენერგია ოთახის ტემპერატურაზე ძალიან მცირეა ვალენტური ელექტრონების გასათავისუფლებლად. სილიციუმში და განსაკუთრებით გერმანიუმში, ენერგეტიკული უფსკრულის შედარებით მცირე სიგანის გამო, ოთახის ტემპერატურაზე შესაძლებელია გარკვეული რაოდენობის ვალენტური ელექტრონების თერმული აგზნება. ამრიგად, ისინი ატარებენ დენს, მაგრამ რადგან მათი გამტარობა გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე ლითონები, სილიციუმი და გერმანიუმი კლასიფიცირდება როგორც ნახევარგამტარები.ნანოტექნოლოგიის კონცეფციისთვის, შესაძლოა, არ არსებობს ამომწურავი განმარტება, მაგრამ ამჟამად არსებული მიკროტექნოლოგიების ანალოგიით, აქედან გამომდინარეობს, რომ ნანოტექნოლოგიები არის ტექნოლოგიები, რომლებიც მოქმედებს ნანომეტრის რიგის მნიშვნელობებზე. მაშასადამე, „მიკროდან“ „ნანოზე“ გადასვლა არის თვისებრივი გადასვლა მატერიის მანიპულირებიდან ცალკეული ატომების მანიპულირებაზე. რაც შეეხება ნანოტექნოლოგიების განვითარებას, მხედველობაში სამი სფეროა: ელექტრონული სქემების წარმოება (მათ შორის მოცულობითი) აქტიური ელემენტებით, რომლებიც ზომით შედარებულია მოლეკულებთან და ატომებთან; ნანომანქანების განვითარება და წარმოება; ცალკეული ატომებისა და მოლეკულების მანიპულირება და მათგან მაკროობიექტების შეკრება. ამ სფეროებში განვითარება დიდი ხანია მიმდინარეობს. 1981 წელს შეიქმნა გვირაბის მიკროსკოპი, რომელიც საშუალებას აძლევს ცალკეული ატომების ტრანსპორტირებას. გვირაბის ეფექტი არის მიკრონაწილაკების შეღწევის კვანტური ფენომენი მოძრაობის ერთი კლასიკურად ხელმისაწვდომი უბნიდან მეორეში, რომელიც გამოყოფილია პირველიდან პოტენციური ბარიერით. გამოგონილი მიკროსკოპის საფუძველია ძალიან მკვეთრი ნემსი, რომელიც სრიალებს შესასწავლ ზედაპირზე ერთ ნანომეტრზე ნაკლები უფსკრულით. ამ შემთხვევაში, ელექტრონები ნემსის გვირაბის წვერიდან ამ უფსკრულის გავლით შევიდა სუბსტრატში.
თუმცა, ზედაპირის შესწავლის გარდა, ახალი ტიპის მიკროსკოპის შექმნამ ფუნდამენტურად ახალი გზა გახსნა ნანომეტრის ზომის ელემენტების ფორმირებისთვის. უნიკალური შედეგები იქნა მიღებული ატომების მოძრაობაზე, მათ მოცილებაზე და მოცემულ წერტილში დეპონირებაზე, აგრეთვე ქიმიური პროცესების ლოკალურ სტიმულაციაზე. მას შემდეგ ტექნოლოგია მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა. დღესდღეობით ეს მიღწევები გამოიყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში: ნებისმიერი ლაზერული დისკის წარმოება და მით უმეტეს, DVD-ების დამზადება შეუძლებელია ნანოტექნიკური კონტროლის მეთოდების გამოყენების გარეშე.
ნანოქიმია არის ნანოდისპერსირებული ნივთიერებებისა და მასალების სინთეზი, ნანომეტრის ზომის სხეულების ქიმიური გარდაქმნების რეგულირება, ნანოსტრუქტურების ქიმიური დეგრადაციის პრევენცია, ნანოკრისტალების გამოყენებით დაავადებების მკურნალობის მეთოდები.
ნანოქიმიაში კვლევის შემდეგი სფეროებია:
- - ნანომანიპულატორების გამოყენებით ატომებიდან დიდი მოლეკულების აწყობის მეთოდების შემუშავება;
- - მექანიკური, ელექტრული და მაგნიტური ზემოქმედების ქვეშ ატომების ინტრამოლეკულური გადაწყობების შესწავლა. ნანოსტრუქტურების სინთეზი ზეკრიტიკულ სითხის ნაკადებში; მიმართული აწყობის მეთოდების შემუშავება ფრაქტალის, მავთულის, მილისებური და სვეტოვანი ნანოსტრუქტურების ფორმირებით.
- - ულტრაწვრილი ნივთიერებებისა და ნანოსტრუქტურების ფიზიკური და ქიმიური ევოლუციის თეორიის შემუშავება; ნანოსტრუქტურების ქიმიური დეგრადაციის თავიდან აცილების გზების შექმნა.
- - ახალი ნანოკატალიზატორების მოპოვება ქიმიური და ნავთობქიმიური მრეწველობისთვის; ნანოკრისტალებზე კატალიზური რეაქციების მექანიზმის შესწავლა.
- - აკუსტიკური ველების ფოროვან გარემოში ნანოკრისტალიზაციის მექანიზმების შესწავლა; ნანოსტრუქტურების სინთეზი ბიოლოგიურ ქსოვილებში; პათოლოგიის მქონე ქსოვილებში ნანოსტრუქტურების ფორმირებით დაავადებების მკურნალობის მეთოდების შემუშავება.
- - ნანოკრისტალების ჯგუფებში თვითორგანიზაციის ფენომენის შესწავლა; მოძებნეთ ახალი გზები ქიმიური მოდიფიკატორებით ნანოსტრუქტურების სტაბილიზაციის გასახანგრძლივებლად.
- - მოსალოდნელი შედეგი იქნება მანქანების ფუნქციური სპექტრი, რომელიც უზრუნველყოფს:
- - მოლეკულებზე ადგილობრივი ზემოქმედების ქვეშ მოლეკულური გადაწყობების შესწავლის მეთოდოლოგია.
- - ახალი კატალიზატორები ქიმიური მრეწველობისა და ლაბორატორიული პრაქტიკისთვის;
- - ოქსიდის იშვიათი და ვანადიუმის ნანოკატალიზატორები მოქმედების ფართო სპექტრით.
- - ტექნიკური ნანოსტრუქტურების ქიმიური დეგრადაციის პრევენციის მეთოდოლოგია;
- - ქიმიური დეგრადაციის პროგნოზირების მეთოდები.
- - ნანოპრეპარატები თერაპიისა და ქირურგიისთვის, ჰიდროქსიაპატიტზე დაფუძნებული პრეპარატები სტომატოლოგიისთვის;
- - ონკოლოგიური დაავადებების მკურნალობის მეთოდი სიმსივნური ნანოკრისტალიზაციის განხორციელებით და აკუსტიკური ველის გამოყენებით.
- - ნანოსტრუქტურების შექმნის მეთოდები ნანოკრისტალების მიმართული აგრეგაციის გზით;
- - ნანოსტრუქტურების სივრცითი ორგანიზაციის რეგულირების მეთოდები.
- - ახალი ქიმიური სენსორები ულტრა წვრილ აქტიურ ფაზაში; ქიმიური მოდიფიკაციით სენსორების მგრძნობელობის გაზრდის მეთოდები.
ნანოქიმია არის ქიმიის ფილიალი, რომელიც სწავლობს ნანონაწილაკების ქიმიური გარდაქმნების თვისებებს, სტრუქტურასა და მახასიათებლებს. ნანოქიმიის გამორჩეული თვისებაა ზომის ეფექტის არსებობა - ფიზიკურ-ქიმიური თვისებების თვისებრივი ცვლილება და რეაქტიულობა ნაწილაკებში ატომების ან მოლეკულების რაოდენობის ცვლილებით. ჩვეულებრივ, ეს ეფექტი შეინიშნება 10 ნმ-ზე ნაკლები ნაწილაკებისთვის, თუმცა ამ მნიშვნელობას აქვს პირობითი მნიშვნელობა.
კვლევის მიმართულებები ნანოქიმიაში
ნანომანიპულატორების გამოყენებით ატომებიდან დიდი მოლეკულების აწყობის მეთოდების შემუშავება; მექანიკური, ელექტრული და მაგნიტური ზემოქმედების ქვეშ ატომების ინტრამოლეკულური გადაწყობების შესწავლა.
ნანოსტრუქტურების სინთეზი ზეკრიტიკულ სითხის ნაკადებში; ნანოკრისტალების მიმართული აწყობის მეთოდების შემუშავება.
ულტრაწვრილი ნივთიერებებისა და ნანოსტრუქტურების ფიზიკური და ქიმიური ევოლუციის თეორიის შემუშავება; ნანოსტრუქტურების ქიმიური დეგრადაციის თავიდან აცილების გზების შექმნა.
ახალი კატალიზატორების მოპოვება ქიმიური და ნავთობქიმიური მრეწველობისთვის; ნანოკრისტალებზე კატალიზური რეაქციების მექანიზმის შესწავლა.
აკუსტიკური ველების ფოროვან გარემოში ნანოკრისტალიზაციის მექანიზმების შესწავლა; ნანოსტრუქტურების სინთეზი ბიოლოგიურ ქსოვილებში.
ნანოკრისტალების ჯგუფებში თვითორგანიზაციის ფენომენის შესწავლა; ახალი გზების ძიება ქიმიური მოდიფიკატორებით ნანოსტრუქტურების სტაბილიზაციის გასახანგრძლივებლად.
კვლევის მიზანია შემუშავდეს მანქანების ფუნქციური დიაპაზონი, რომელიც უზრუნველყოფს:
ახალი კატალიზატორები ქიმიური მრეწველობისა და ლაბორატორიული პრაქტიკისთვის.
ტექნიკური ნანოსტრუქტურების ქიმიური დეგრადაციის პრევენციის მეთოდოლოგია; ქიმიური დეგრადაციის პროგნოზირების მეთოდები.
ახალი წამლების მიღება.
ონკოლოგიური დაავადებების მკურნალობის მეთოდი სიმსივნური ნანოკრისტალიზაციის განხორციელებით და აკუსტიკური ველის გამოყენებით.
ახალი ქიმიური სენსორები; სენსორების მგრძნობელობის გაზრდის მეთოდები.
ნანოტექნოლოგია ენერგეტიკასა და ქიმიურ მრეწველობაში
ნანოტექნოლოგია (ბერძნ. nanos - "ჯუჯა" + "ტექნო" - ხელოვნება, + "logos" - დოქტრინა, კონცეფცია) არის ფუნდამენტური და გამოყენებითი მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ინტერდისციპლინარული სფერო, რომელიც ეხება ინოვაციურ მეთოდებს (თეორიული დასაბუთების, ექსპერიმენტული მეთოდების სფეროებში). კვლევის, ანალიზისა და სინთეზის, ასევე ახალი მრეწველობის სფეროში) სასურველი თვისებების მქონე ახალი მასალების მოპოვება. ნანოტექნოლოგია იყენებს უახლეს ტექნოლოგიებს ცალკეული ატომების ან მოლეკულების მანიპულირებისთვის (მოძრაობა, პერმუტაციები, ახალი კომბინაციები). ნანოობიექტების მოცემული ატომური და მოლეკულური სტრუქტურის ხელოვნურად ორგანიზებისთვის გამოიყენება სხვადასხვა მეთოდი (მექანიკური, ქიმიური, ელექტროქიმიური, ელექტრო, ბიოქიმიური, ელექტრონული სხივი, ლაზერი).
ნანოტექნოლოგიები ენერგიაში
ნანოტექნოლოგიები ენერგეტიკისა და მექანიკური ინჟინერიის სფეროში
ამ სფეროში, NT-ის განვითარება მიდის ორი მიმართულებით:
1- სტრუქტურული მასალების შექმნა,
2- ზედაპირული ნანოინჟინერია
სამშენებლო მასალების შექმნა,
ფუნდამენტურად ახალი სტრუქტურული მასალების შესაქმნელად ულტრადისპერსირებული (ან ნანოდისპერსირებული) ელემენტების ჩართვით, გატარდა შემდეგი გზა. პირველი არის ულტრაწვრილი ელემენტების დამატება დოპანტების სახით. მანქანათმშენებლობისა და ენერგეტიკის კონსტრუქციული მასალებისთვის ფულერენი ეგზოტიკურია, ძალიან ძვირი.მეორე მიმართულებაა ფოლადებში და შენადნობებში არალითონური ჩანართების ულტრა წვრილმანი სისტემების (UDS) შექმნა, რომელიც ხორციელდება თერმოპლასტიკური, თერმული ან პლასტიკური დეფორმაციით. აღმოჩნდა, რომ სტრუქტურული მასალების შესრულების თვისებები შეიძლება გაკონტროლდეს არა მხოლოდ შენადნობის კომპონენტების შემოღებით, რომლებიც, მეტალურგების აზრით, თითქმის ამოწურულია, არამედ ნებისმიერი ხასიათის დეფორმაციით. ასეთი ზემოქმედებით, ხდება არალითონური ჩანართების დამსხვრევა. ტრადიციული ანილირება და წრთობა სხვა არაფერია, თუ არა ნანოტექნოლოგია მეტალურგიაში.
ასეთი გავლენის შედეგად შესაძლებელია ფოლადების მიღება (აზოტოვანი ფოლადები პრომეთეში), რომლებშიც მაღალი სიძლიერე შერწყმულია დრეკადობასთან, ანუ ზუსტად ის თვისებები, რაც აკლია ენერგეტიკულ სექტორში, მექანიკურ ინჟინერიაში, მასალების მისაღებად. სასურველი მახასიათებლებით. ნანოტექნოლოგია კი შესაძლებელს ხდის ასეთი მასალების წარმატებით მოპოვებას.
