Um cristal iônico ideal consiste em íons esféricos carregados positiva e negativamente. Se não todos, pelo menos alguns dos compostos de haleto alcalino, ou seja, são mais consistentes com essa ideia. sais formados por um dos metais alcalinos (lítio, sódio, potássio, rubídio, césio) e um dos halogênios (flúor, cloro, bromo, iodo). Há evidências de que os cristais desses sais são de fato formados por íons metálicos positivos e íons de halogênio carregados negativamente. O mais direto deles são os dados da análise de difração de raios X, com base nos quais a distribuição eletrônica de carga é calculada (cm. arroz. 9 para o caso de NaCl).(22,74 Kb)

O fato de que tais sólidos são compostos de íons ao invés de átomos pode ser explicado como segue. Em primeiro lugar, todos os átomos de metais alcalinos têm um elétron de valência externo, enquanto a camada externa dos átomos de halogênio contém sete elétrons de valência. Quando um elétron de valência passa de um átomo de metal alcalino para um átomo de halogênio, dois íons são formados, cada um com uma configuração eletrônica estável característica de átomos de gás inerte. Ainda mais importante é o ganho de energia devido à atração de Coulomb entre íons positivos e negativos. Considere o cloreto de sódio (NaCl) como um exemplo. Para arrancar o elétron externo (valência) do átomo de Na, você precisa gastar 5,14 eV (energia de ionização). Quando este elétron está ligado ao átomo de Cl, há um ganho de energia de 3,61 eV (energia de afinidade eletrônica). Assim, a energia necessária para a transição de um elétron de valência de Na para Cl é (

5,14 - 3,61) eV = 1,53 eV. A energia de atração de Coulomb entre dois íons Na emergentes+ e Cl- a uma distância entre eles (em um cristal) igual a 2,18, é 5,1 eV. Este valor mais do que compensa a energia total da transição eletrônica e leva a uma diminuição da energia total do sistema de íons em comparação com um sistema similar de átomos livres. Esta é a principal razão pela qual os compostos de haleto alcalino são compostos de íons, não de átomos.

Calcular a energia dos cristais iônicos é realmente mais complicado do que pode parecer na discussão acima. Mas pelo menos para os cristais de haleto alcalino, há uma boa concordância entre os valores teóricos e experimentais da energia de ligação. As ligações iônicas são bastante fortes, como indicado, por exemplo, pelo alto ponto de fusão de 1074 K para NaCl.

Devido ao alto grau de estabilidade da estrutura eletrônica, os cristais iônicos se enquadram na categoria de dielétricos. Como os íons positivos e negativos interagem com as ondas eletromagnéticas, os cristais iônicos exibem forte absorção óptica na região infravermelha do espectro. (A frequência do campo elétrico externo oscilante nesta região do espectro está próxima da frequência natural das ondas transversais da rede, nas quais os íons positivos e negativos do cristal se movem em direções opostas.) Na região visível do espectro, as frequências de oscilação são muito altas para que os íons massivos tenham tempo de responder à ação de tais ondas. Portanto, as ondas de luz passam pelo cristal sem interação, ou seja, tais cristais são transparentes. Em frequências ainda mais altas na região ultravioleta do espectro, os quanta de campo podem ter energia suficiente para excitar elétrons de valência, o que garante a transição de elétrons de valência de íons negativos para estados desocupados de íons positivos. Isso leva a uma forte absorção óptica.

cristais covalentes. Os cristais covalentes mais conhecidos são o diamante, o silício e o germânio. Cada átomo em tais cristais é cercado por quatro átomos vizinhos localizados nos vértices de um tetraedro regular. Os átomos livres de cada um desses elementos possuem quatro elétrons de valência, e isso é suficiente para formar quatro ligações eletrônicas pareadas (entre esse átomo e seus quatro vizinhos mais próximos). Assim, dois elétrons são coletivizados por dois átomos que formam uma ligação e estão localizados no espaço ao longo da linha que liga os átomos. Esta é quase a mesma ligação entre dois átomos de hidrogênio na molécula de hidrogênio H 2 . No diamante, essas ligações são muito fortes e, como têm uma direção estritamente definida em relação uma à outra, o diamante é um material extremamente duro. A força da ligação covalente de um elétron com um cristal é caracterizada pelo chamado gap de energia, a energia mínima que deve ser transferida para um elétron para que ele possa se mover livremente no cristal e criar uma corrente elétrica. Para diamante, silício e germânio, a largura dessa lacuna é 5,4, 1,17 e 0,744 eV, respectivamente. Portanto, o diamante é um bom dielétrico; a energia das vibrações térmicas na temperatura ambiente é muito pequena para liberar elétrons de valência. No silício, e especialmente no germânio, devido à largura relativamente pequena do intervalo de energia, é possível a excitação térmica de um certo número de elétrons de valência à temperatura ambiente. Assim, eles conduzem corrente, mas como sua condutividade é muito menor que a dos metais, o silício e o germânio são classificados como semicondutores.

Para o conceito de nanotecnologia, talvez, não exista uma definição exaustiva, mas por analogia com as microtecnologias existentes, segue-se que as nanotecnologias são tecnologias que operam em valores da ordem do nanómetro. Portanto, a transição de "micro" para "nano" é uma transição qualitativa da manipulação da matéria para a manipulação de átomos individuais. No que diz respeito ao desenvolvimento de nanotecnologias, há três áreas em mente: a fabricação de circuitos eletrônicos (incluindo volumétricos) com elementos ativos comparáveis ​​em tamanho aos de moléculas e átomos; desenvolvimento e fabricação de nanomáquinas; manipulação de átomos e moléculas individuais e a montagem de macroobjetos a partir deles. Os desenvolvimentos nestas áreas vêm acontecendo há muito tempo. Em 1981, foi criado um microscópio de tunelamento que permite a transferência de átomos individuais. O efeito túnel é um fenômeno quântico de penetração de uma micropartícula de uma área de movimento classicamente acessível para outra, separada da primeira por uma barreira de potencial. A base do microscópio inventado é uma agulha muito afiada deslizando sobre a superfície em estudo com um intervalo de menos de um nanômetro. Nesse caso, os elétrons da ponta da agulha fazem um túnel através dessa lacuna para o substrato.

No entanto, além de estudar a superfície, a criação de um novo tipo de microscópio abriu um caminho fundamentalmente novo para a formação de elementos do tamanho de nanômetros. Resultados únicos foram obtidos sobre o movimento de átomos, sua remoção e deposição em um determinado ponto, bem como a estimulação local de processos químicos. Desde então, a tecnologia foi muito melhorada. Hoje, essas conquistas são usadas na vida cotidiana: a produção de qualquer disco a laser e, mais ainda, a produção de DVDs é impossível sem o uso de métodos de controle nanotécnico.

A nanoquímica é a síntese de substâncias e materiais nanodispersos, a regulação de transformações químicas de corpos nanométricos, a prevenção da degradação química de nanoestruturas, métodos de tratamento de doenças usando nanocristais.

A seguir estão as áreas de pesquisa em nanoquímica:

• - desenvolvimento de métodos para a montagem de grandes moléculas a partir de átomos utilizando nanomanipuladores;
• - estudo de rearranjos intramoleculares de átomos sob influências mecânicas, elétricas e magnéticas. Síntese de nanoestruturas em escoamentos de fluidos supercríticos; desenvolvimento de métodos para montagem direcionada com a formação de nanoestruturas fractais, wireframe, tubulares e colunares.
• - desenvolvimento da teoria da evolução física e química de substâncias ultrafinas e nanoestruturas; criação de formas de prevenir a degradação química de nanoestruturas.
• - obtenção de novos nanocatalisadores para as indústrias química e petroquímica; estudo do mecanismo de reações catalíticas em nanocristais.
• - estudo de mecanismos de nanocristalização em meios porosos em campos acústicos; síntese de nanoestruturas em tecidos biológicos; desenvolvimento de métodos para o tratamento de doenças através da formação de nanoestruturas em tecidos com patologia.
• - estudo do fenômeno de auto-organização em grupos de nanocristais; buscar novas formas de prolongar a estabilização de nanoestruturas por modificadores químicos.
• - O resultado esperado será uma gama funcional de máquinas que proporciona:
• - metodologia para estudar rearranjos intramoleculares sob efeitos locais em moléculas.
• - novos catalisadores para a indústria química e prática laboratorial;
• - nanocatalisadores de óxido-terra-rara e vanádio com amplo espectro de ação.
• - metodologia de prevenção da degradação química de nanoestruturas técnicas;
• - Métodos de previsão da degradação química.
• - nanodrogas para terapia e cirurgia, preparações à base de hidroxiapatita para odontologia;
• - um método para o tratamento de doenças oncológicas através da realização de nanocristalização intratumoral e aplicação de um campo acústico.
• - métodos para criar nanoestruturas por agregação dirigida de nanocristais;
• - métodos de regulação da organização espacial de nanoestruturas.
• - novos sensores químicos com fase ativa ultrafina; métodos para aumentar a sensibilidade de sensores por modificação química.

A nanoquímica é um ramo da química que estuda as propriedades, estrutura e características das transformações químicas das nanopartículas. Uma característica distintiva da nanoquímica é a presença de um efeito de tamanho - uma mudança qualitativa nas propriedades físico-químicas e reatividade com uma mudança no número de átomos ou moléculas em uma partícula. Normalmente, esse efeito é observado para partículas menores que 10 nm, embora esse valor tenha um valor condicional.

Direções de pesquisa em nanoquímica

Desenvolvimento de métodos para a montagem de grandes moléculas a partir de átomos utilizando nanomanipuladores; estudo de rearranjos intramoleculares de átomos sob influências mecânicas, elétricas e magnéticas.

Síntese de nanoestruturas em escoamentos de fluidos supercríticos; desenvolvimento de métodos para montagem dirigida de nanocristais.

Desenvolvimento da teoria da evolução física e química de substâncias ultrafinas e nanoestruturas; criação de formas de prevenir a degradação química de nanoestruturas.

Obtenção de novos catalisadores para as indústrias química e petroquímica; estudo do mecanismo de reações catalíticas em nanocristais.

Estudo dos mecanismos de nanocristalização em meios porosos em campos acústicos; síntese de nanoestruturas em tecidos biológicos.

Estudo do fenômeno de auto-organização em grupos de nanocristais; buscar novas formas de prolongar a estabilização de nanoestruturas por modificadores químicos.

O objetivo da pesquisa é desenvolver uma gama funcional de máquinas que forneçam:

Novos catalisadores para a indústria química e prática laboratorial.

Metodologia de prevenção da degradação química de nanoestruturas técnicas; métodos para prever a degradação química.

Obtendo novas drogas.

Um método para o tratamento de doenças oncológicas através da realização de nanocristalização intratumoral e aplicação de um campo acústico.

Novos sensores químicos; métodos para aumentar a sensibilidade dos sensores.

Nanotecnologias em energia e indústria química

A nanotecnologia (do grego nanos - "anão" + "techno" - arte, + "logos" - ensino, conceito) é um campo interdisciplinar da ciência e tecnologia fundamental e aplicada, que lida com métodos inovadores (nas áreas de justificação teórica, métodos experimentais de pesquisa, análise e síntese, bem como no campo de novas indústrias) obtendo novos materiais com propriedades desejadas. A nanotecnologia usa as mais recentes tecnologias para manipular átomos ou moléculas individuais (movimento, permutações, novas combinações). Uma variedade de métodos (mecânicos, químicos, eletroquímicos, elétricos, bioquímicos, feixe de elétrons, laser) são usados ​​para organizar artificialmente uma determinada estrutura atômica e molecular de nanoobjetos.

Nanotecnologias em energia

Nanotecnologias na área de energia e engenharia mecânica

Nesta área, o desenvolvimento do NT vai em duas direções:

1- criação de materiais estruturais,

2- nanoengenharia de superfície

Criação de materiais de construção,

Para criar materiais estruturais fundamentalmente novos com a inclusão de elementos ultradispersos (ou nanodispersos), seguimos o seguinte caminho. A primeira é a adição de elementos ultrafinos como dopantes. Para materiais estruturais em engenharia mecânica e energia, os fulerenos são exóticos, muito caros.A segunda direção é a criação de sistemas ultrafinos (UDS) de inclusões não metálicas em aços e ligas, realizados por deformação termoplástica, térmica ou plástica. Descobriu-se que é possível controlar as propriedades de desempenho dos materiais estruturais não apenas pela introdução de componentes de liga, que, segundo os metalúrgicos, estão praticamente esgotados, mas também por meio de deformações de qualquer natureza. Com esse impacto, ocorre o esmagamento de inclusões não metálicas. O recozimento e a têmpera tradicionais nada mais são do que nanotecnologias em metalurgia.

Como resultado de tais influências, é possível obter aços (aços nitrogênio no Prometheus), nos quais a alta resistência é combinada com a ductilidade, ou seja, justamente aquelas propriedades que faltam no setor de energia, na engenharia mecânica, para obter materiais com as características desejadas. E a nanotecnologia torna possível obter esses materiais com sucesso.