Казанский клуб нанотехнологий
Задания
V городской Студенческой олимпиады по нанотехнологиям
5 апреля 2012 г.
Казань
| Казанский федеральный университет |
| Казанский национальный исследовательский технический университет им. |
| Казанский государственный энергетический университет |
| Министерство образования и науки Республики Татарстан |
При поддержке программы развития деятельности студенческих объединений образовательных учреждений высшего профессионального образования
Местная молодежная общественная организация
Казанский клуб нанотехнологий
NANO. KSU. RU
Инструкции и правила
Добро пожаловать на V городскую студенческую олимпиаду по нанотехнологиям! Прежде чем приступить к решению заданий внимательно прочитайте инструкции.
Задания олимпиады состоят из двух блоков. Для каждого блока Вы получили у оргкомитета при регистрации специальные бланки, на всех бланках уже проставлен Ваш шифр. Нигде на Вашей работе не должна присутствовать Ваша фамилия или имя.
Первый блок - это тест, для ответа используйте специальный бланк ответов. Поставьте крестик в клетке напротив номера вопроса в столбце соответствующем букве верного на Ваш взгляд варианта ответа из предложенных. Если варианты ответов не предложены, необходимо дать свой краткий ответ с объяснением и подтверждением Вашей точки зрения в выделенном для этого поле. Если Вы хотите исправить ответ, поставьте букву верного ответа в клетке напротив номера вопроса в отдельном столбце, расположенном рядом с таблицей ответов. В таблице ответов не ставьте никаких лишних знаков и ничего не зачеркивайте.
На первый блок отводится один час, далее бланки ответов будут собраны.
Второй блок - задачи, для ответа используйте только шифрованные пронумерованные листы, выданные оргкомитетом. На всех дополнительных листах обязательно проставьте Ваш шифр и номер листа. Поставьте номер задачи, номер вопроса и укажите Ваше решение. Давайте четкие обоснованные и однозначные ответы на вопросы в задачах. Решать можно любые задания в любом порядке. Сдавать необходимо все листы работы, в том числе пустые.
Напротив каждого вопроса указано количество баллов за верный ответ, а в конце задания указана максимальная сумма баллов. Количество присуждаемых баллов зависит от верности и полноты ответа и рассуждений.
В течение всей олимпиады запрещено использование телефонов, ноутбуков, литературы, совместное обсуждение заданий, разговоры.
Если Вам потребуются дополнительные листы или бланки ответов, если у Вас возник вопрос – поднимите руку, к Вам подойдет сотрудник оргкомитета.
Желаем успехов!
Тест
Авторы: Георгий Баталин, Булат Гареев
Каждый вопрос содержит только один правильный ответ. В вопросах, не содержащих вариантов, необходимо дать краткий ответ с объяснением. Заполните специальный бланк ответов на тест.
Какой частью метра является йоктометр? 10-9 10-12 10-24 10-27
Какая из этих технических проблем стоит на пути создания серой слизи? Энергетическая Сырьевая Мутационная Эволюционная Все перечисленные
Как называются органические молекулы, структурные формулы которых напоминают фигурки людей? Нанопуты Лилипуты Оргопуты
Какое произведение в жанре нанопанка в западной фантастике можно считать одним из первых? Алмазный век Понедельник начинается в субботу Рибофанк Киберозойская эра Гарри Поттер
Что изображено на рисунке? Космический лифт Наноробот Бактериофаг Зонд атомно-силового микроскопа Как называется геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком? Плазмон Фрактал Тригональная бипирамида Флогистон Дендример
Нано-счёты это счёты нано-размера, разработанные учёными IBM в Цюрихе (Швейцария) в 1996 году. Устойчивые ряды, составленные из десяти молекул, действуют как спицы счёт, а «Костяшки» составлены из фуллерена. Чем управляются такие счеты? Атомно-силовым микроскопом Нанороботами Электронными импульсами Углеродными нанотрубками
Что такое «квантовый загон»? Ошибка в квантовых расчетах Ловушка для фотонов, используемая для анализа фотонов в нанофотонике Двумерная фигура, выложенная атомами одного типа на кристалле другого типа Квантово-механическая модель фотонного кристалла
Какой угол рассеяния (в градусах) чаще всего используют для анализа размеров частиц в методе динамического рассеяния света? 0 86 154 173 180
Какой из приведенных методов исследования наиболее удобно и чаще всего используют для анализа комплексных соединений металлов? Инфракрасная спектроскопия Масс-спектрометрия Электронная микроскопия Ядерно-магнитный резонанс Электронно-парамагнитный резонанс
Для чего не могут быть использованы дендримеры? Доставка лекарств Создание металлических частиц одинакового размера Калибровка масс-смпектометров В качестве антенн при радиотерапии
Как называется элементарная частица ответственная за массу материи? Гравитон Бозон Хиггса Глюон Мезон
В Университете Райса (США) были разработаны наноавтомобили, которые способны ездить по поверхности золота при ее нагреве. Из чего были изготовлены колеса этого наноавтомобиля? Фуллерен П-карборан Ротоксан Карбон
За счет чего можно увеличить гидрофобность полимерных материалов уже имеющих гидрофобные свойства, например, тефлона? Покрыть полимер квантовыми точками Добавить в полимер до 2% углеродных нанотрубок Наноструктурировать поверхность Натереть воском
Какое вещество лучше всего использовать для удаления концов закрытых углеродных нанотрубок? Наноножницы Азотная кислота Серная кислота Кукурбитурил
Что можно использовать для функцианализации поверхности или стабилизации наночастиц селенида германия? Пальмитиновая кислота Катенаны 25,26,27,28-тетрагидроксикаликс[4]арены Водородные связи Сульфидные мостики
Какой из перечисленных методов используется для неразрушающего анализа биомолекул, содержащихся в живых клетках? ГКР ЯМР ЭПР РФА Ни один не используется
Какое вещество обладает следующими свойствами: широкозонный полупроводник, не растворяется в воде и большинстве кислот и щелочей, нетоксичен? Диоксид титана Серебро Кремний Тефлон Германий
Какое вещество используется в фотохромных материалах, например, в очках-хамелеонах, темнеющих на ярком солнечном свету? Полимерные материалы с эффектом лотоса Нитриды кремния Селенид галлия Галогениды серебра Там сидят гномы
Из какого материала можно изготовить наноантенны для создания солнечных батарей, имеющих повышенный КПД? Хлорофилл Магнитные наночастицы Квантовые точки Наноалмазы
В материалах бронежилетов используется композитный материал из кевлара и некоторой жидкости, которая при попадании в бронежилет пули мгновенно твердеет. Как называется свойство возрастания вязкости при увеличении скорости деформации сдвига этой жидкости? Реопексия Дилатансия Псевдопластичность Тиксотропия
Какие характеристики поверхности можно исследовать сканирующими зондовыми методами? Топография поверхности Магнитные свойства поверхности Поверхностный заряд Адсорбционные свойства Все перечисленные
Что такое «зеленая химия»? Химия природных объектов Химия для сохранения окружающей среды Химия с использованием излучения лазера с длинной волны 550 нм Химия, подсмотренная у зеленых человечков
Почему углеродные наноматериалы опасны для живых организмов, помимо их высокой проникающей способности? Высокая липофильность Высокая реакционная способность Невидимость для макрофагов Углеродные наноматериалы не представляют опасности
Помимо углерода структуры подобные графену могут быть получены и из других веществ. Из чего ученым удалось получить «белый графен»? Оксид кобальта Оксид кремния Сульфид серебра Нитрид бора Диоксид титана
Углеродные нанотрубки могут иметь металлические свойства, сравнимые со свойствами какого металла? Латуни Меди Олова Свинца
Что используют исследователи для формирования нанотрубок? Уран Берилий Железо Калий
Компьютерная томография – метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности элементов. Какой из предложенных объектов не имеет смысла изучать с помощью КТ? Человек Литые металлические детали Раковины ископаемых Нанокомпозиционные материалы
Как выполняется самосборка нанокапсул и других наночастиц? Сверху вниз Снизу вверх Сбоку Вдоль оси z
Для защиты от чего используются наноразмерные частицы оксида цинка? От УФ - излучения От радиоактивного излучения От кислотных дождей От воды
В каком микроскопе используется лазерное ультрафиолетовое излучение и сканирующие зеркала для съемки флуоресцирующего образца? Атомно-силовом Оптическом Санирующем электронном Сканирующем конфокальном
Кто сказал, что в будущем, всю информацию изо всех книг со всего мира можно будет разместить в кубе с ребром чуть более 0,1 мм? Ричард Джеймс
Как называется область деятельности, которая занимается лечением и восстановлением поврежденных тканей на молекулярном уровне? Наноортодонтика Вертебронейрология Нанобиотика Нет верного ответа Для лечения чего используют золотые нанооболочки? Нематод Рака молочной железы Грибка стопы Тромбоза стенок кровеносных сосудов
Распределение размеров пор, проницаемость и поверхностную химическую активность можно регулировать за счет изменения исходных параметров частиц для наномембран на основе чего? Кремния Цеолитов Алюмоксана Силикона
Сколько времени спустя использование наночастиц железа заметно снижает уровень загрязнения в месте инъекции? 3-4 месяца 1-2 дня 3-4 часа 5-6 дней
В чем заключается эффект Казимира? Во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме В плазменном свечении электроразряда на поверхности наночастиц, которые предварительно помещаются в переменное электрическое поле высокой частоты В том, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней В явлении различного прохождения через фотографический слой направленного и рассеянного световых потоков, порождающее неоднозначность результатов измерения оптической плотности фотоматериала
С помощью ультрафиолетового излучения со сверхкороткой длиной волны в скором будущем станет возможным создавать транзисторы на кремниевой подложке. Во сколько раз они будут мощнее современных? В 10 раз В 20 раз В 50 раз В 100 раз На сколько градусов применение композитного наноматериала для гоночного автомобиля Ford Thunderbird позволило снизить температуру перегрева салона вследствие перегрева двигателя, трансмиссии и даже пола? 40°С 20°С 30°С 10°С
От чего ежедневно на Землю поступает около 165 тысяч тераватт энергии? От атомных станций От солнца От луны От гидротермальных источников
Для чего служит нанопокрытие теннисных мячиков? Для повышения герметичности Для улучшения отскока Для повышения срока службы Для упрощения поиска в случае потери
Для генерирования чего используют массивы нанотрубок на основе диоксида титана и солнечный свет? Гелия Палладия Церия Водорода
Сколько процентов компаний в реестре-индексе Dow Jones используют или создают нанопродукты? 40% 50% 62% 25%
Какое из перечисленных ниже веществ наиболее часто используют в качестве радиоактивного маркера? Кобальт Родий Таллий Сера Какая компания производит порошок Z-COTЕ, на основе наночастиц сверхчистого оксида цинка, который используется почти во всех солнцезащитных кремах? Unilever ВАSF АCME P&G
Что такое Nano Art?
Какие варианты детектирования информации об образце существуют в электронном микроскопе, какого рода информацию они позволяют получить?
Меньше какого размера объекты нельзя разглядеть в оптический микроскоп и почему?
Фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света. Какими основными свойствами обладают фотонные кристаллы и каковы перспективы их применения?
Что представляют собой кольца Лизеганга?
Всего 50 баллов.
1. Наноразмерные кластеры
Автор: Валерий Штырлин
Бинарные соединения А и В имеют аналогичную кристаллическую структуру. От названия А происходит название одного из химических элементов. Кристаллы А и В испытывают термолюминесценцию. Допирование соединений А и В ионами родственных элементов некоторого семейства С приводит к образованию в структурах А и В наноразмерных кластеров. При этом, когда отношение радиуса иона, входящего в состав А или В, к радиусу иона семейства С составляет не более 0.95, образуются кластеры с соотношением катион/анион 1:6.5, при обратном отношении радиусов (>0.95) образуются кластеры с соотношением катион/анион 1:6. По мере увеличения порядкового номера элементов семейства С проводимость допированного соединения А проходит через максимум, а проводимость допированного соединения В монотонно уменьшается.
Каков состав соединений А и В? (4 балла) Какую кристаллическую структуру имеют соединения А и В? (2 балла) Какие типы дефектов характерны для кристаллов со структурой соединения А? (2 балла) Что представляет собой семейство элементов С? (2 балла) Запишите правильный состав двух типов кластеров, образующихся при допировании соединений А и В элементами семейства С. (4 балла) Сделайте предположения о структурах двух типов кластеров. (8 баллов) Чем объясняется проводимость простых и допированных кристаллов А и В? (2 балла) Объясните различный характер зависимостей проводимости допированных кристаллов А и В от порядкового номера допирующего элемента семейства С. (8 баллов) Назовите области практического применения кристаллов А. (6 баллов) Для каких целей применяются кристаллы А и В, допированные элементами семейства С? (2 балла)Всего 40 баллов.
2. Сканирующий зондовый микроскоп
Автор: Дмитрий Таюрский
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) является мощным исследовательским инструментом в области нанофизики. Движение датчика СЗМ регистрируется с помощью фотодетектора, принимающего отраженный луч лазера, как показно на рисунке. Датчик закреплен на упругой горизонтальной пластинке и может колебаться только в вертикальном направлении. Его смещение z, зависящее от времени t, описывается уравнением:
где m - масса датчика, k = mщ02 - коэффициент упругости пластинки, b - малый коэффициент затухания, удовлетворяющий условию щ0 >> (b/m) > 0, F - внешняя сила, действующая на датчик со стороны пьезоэлемента.
Упрощенная схема атомного зондирующего микроскопа (СЗМ). В правом нижнем углу показана упрощенная механическая модель, описывающая принцип работы датчика и его связь с пьезоэлементом.
Если F = F0 sin(щt), то зависимость z(t), удовлетворяющая уравнению, имеет вид z(t) = A sin(щt – ц), где A > 0 и 0 ≤ ц ≤ р. Получите выражения для амплитуды A и тангенса фазы ц через параметры F0, m, щ, щ0 и b. Найдите значения амплитуды A и фазы ц на резонансной частоте щ = щ0. (6 баллов) Электронное устройство, показанное на рисунке, перемножает входной сигнал и опорный сигнал VR = VR0 sin(щt), и выделяет в качестве выходного сигнала только постоянную составляющую произведения обоих сигналов. Допустим, входной сигнал задается формулой Vi = Vi0 sin(щit – цi), где VR0, Vi0, щi и цi являются заданными положительными константами. Найдите условие для щ (> 0) , при котором на выходе появляется отличный от нуля сигнал. Получите выражение для величины выходного сигнала (постоянной составляющей произведения) на заданной частоте щ. (4 балла) Пройдя через фазовращатель, опорный сигнал, напряжение которого зависит от времени по закону VR = VR0 sin(щt), преобретает вид VґR = VR0 sin(щt + р/2). Это напряжение VґR подается на пьезоэлемент, который создает силу F = c1VґR, приложенную к датчику. Затем фотодетектор преобразует смещение датчика z в напряжение Vi = c2z. В этих соотношениях c1 и c2 - известные константы, Vi – входной сигнал. Получите выражение для постоянной составляющей выходного сигнала при частоте опорного сигнала щ = щ0. (6 баллов) Малое изменение массы датчика Дm приводит к сдвигу его резонансной частоты на величину Дщ0, в результате чего фаза входного сигнала ц на первоначальной резонансной частоте щ0 испытывает сдвиг на величину Дц. Найдите изменение массы датчика Дm, при котором сдвиг фазы оказывается равным Дц = р/1800, что типично для фазовых измерений. Значения физических параметров датчика следующие: m = 1.0Ч10-12кг, k = 1.0 Н/м и (b/m) = 1.0Ч103 с-1. Используйте следующие приближенные формулы: (1 + x)a ≈ 1 + ax и tan(р/2 + x) ≈ –1/x (при |x|<<1). (8 баллов)Далее рассмотрите поведение устройства, включая все силы, действующие на датчик, описанные в вопросах 1-4, а также дополнительную силу со стороны образца, рассмотренную ниже.
Считайте, что дополнительная сила f(h), действующая на датчик со стороны поверхности образца, зависит только от расстояния h между концом датчика и поверхностью образца. Зная эту силу, можно найти новое положение равновесия датчика h0. Вблизи этого положения h0 можно приблизительно записать f(h) ≈ f(h0) + cз(h – h0), где cз - коэффициент, не зависящий от h. Найдите новую резонансную частоту колебаний датчика щґ0 и выразите ее через величины щ0, m и щз. (6 баллов) Острие датчика, несущее электрический заряд Q = 6e, движется горизонтально над поверхностью и проходит над электроном с зарядом q = e, расположенным (локализованным в пространстве) на некотором расстоянии под поверхностью образца. В ходе сканирования вблизи электрона максимальный сдвиг резонансной частоты Дщ0(=щґ0 – щ0) оказывается значительно меньше щ0. Получите выражение для расстояния d0 от острия датчика до локализованного электрона, при котором сдвиг частоты будет максимальным. Выразите это расстояние через параметры m, q, Q, щ0, Дщ0 и постоянную закона Кулона ke. Рассчитайте расстояние d0 в нанометрах для сдвига частоты Дщ0 = 20 с-1. Параметры датчика следующие: k = 1.0 Н/м, m = 1.0Ч10-12 кг. Любыми поляризационными эффектами как для датчика, так и для образца следует пренебречь. Физические постоянные равны ke = 1/4ре0 = 9.0Ч109 Н м2/Кл2, e = –1.6Ч10-19 Кл. (10 баллов)Всего 40 баллов.
3. Нано в кармане
Автор: Азат Хадиев
Современные технические устройства проектируют таким образом, чтобы мы не задумывались о том, как они работают. Подобный «дружественный» интерфейс имеет свои недостатки – по этой причине не каждый догадывается, что нанотехнологии используются у него прямо под носом. Например, многие компании, занимающиеся выпуском компьютерных чипов, уже в 2001-2003 годах начали активно продавать процессоры, изготовленные по 90 нм технологическому процессу. Это значит, что, скорее всего, в процессоре вашего компьютера или даже мобильного телефона содержатся транзисторы, размер которых меньше 100 нм. Уже прошло около 10 лет с момента покорения этого рубежа, и прогресс наноэлектроники далеко двинулся вперед.
По какому технологическому процессу (нм) изготовлены наиболее современные и коммерчески доступные процессоры, которые продаются под торговыми марками Intel Core i7, Intel Core i5, Intel Core i3 и другие? (2 балла)Процессор компьютера состоит из огромного количества связанных между собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторов. Давайте разберем принцип работы МДП транзистора с индуцированным каналом, который является одной из разновидностей МДП транзисторов. Данное устройство состоит из нескольких полупроводниковых областей с различной проводимостью: областей стока и истока с избыточным количеством электронов в них и низким сопротивлением, подложки с дырочной проводимостью. На сток и исток напыляются металлические электроды, а на область между ними - диэлектрик (зачастую SiO2), на который также наносят слои металла. Эту область диэлектрика с напыленным металлом называют затвором.
При отсутствии напряжения на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, и ток по структуре не течет. Если же приложить определенное положительное напряжение на затвор, то будет происходить движение электронов из подложки к затвору. В результате этого процесса под затвором будет формироваться очень тонкий слой с избыточным содержанием электронов, который будет являться проводящим каналом между областями стока и истока. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно увеличивать ширину проводящего канала и управлять протеканием тока в транзисторе.
Как называется состояние электронов, образующих тонкий проводящий канал под затвором диэлектрика при достаточном напряжении на затворе? (4 балла)
Рис. 1. Планарный МДП транзистор с индуцированным каналом.
При уменьшении транзисторов до наноразмеров существенно увеличивается производительность чипов, снижается энергопотребление, а устройства на их основе становятся миниатюрнее. Однако существуют и негативные последствия этого процесса.
Какие нежелательные эффекты проявляются при уменьшении размеров транзисторов? Объясните причину их возникновения. (8 баллов)Одним из таких нежелательных явлений является туннелирование электронов через подзатворный диэлектрик транзистора. Различные параметры транзистора (длина канала L, толщина диэлектрика tox, ширина канала W и другие) связаны между собой определенными математическими отношениями (к примеру, в транзисторах компании Intel длина канала транзистора примерно в 45 раз больше толщины диэлектрического слоя SiO2), поэтому при уменьшении его линейных размеров непременно следует пропорционально изменять другие. Таким образом, при уменьшении размеров транзистора инженерам также приходится существенно уменьшать толщину диэлектрического слоя SiO2. При толщине слоя меньше 1.2 нм (90 нм техпроцесс) вероятность туннелирования электронов через диэлектрический барьер становится существенной. Такие туннельные токи повышают энергопотребление устройства и в целом негативно влияют на его работу.
Что представляет собой туннельный эффект? В каком виде микроскопии используется это физическое явление? (2 балла)Однако и здесь учёные нашли выход – они предложили заменить диоксид кремния материалом с более высокой диэлектрической проницаемостью, названные high-k materials. Начиная с 2007 года, этот материал активно используется при изготовлении процессоров, первыми из которых были Intel Core 2 Duo.
Какие именно химические соединения учёные предложили использовать в качестве материала high-k? (6 баллов)Использование этого материала позволило в несколько раз увеличить толщину слоя диэлектрика, не ухудшив при этом рабочих характеристики транзистора. А такое небольшое изменение толщины подзатворного диэлектрика привело снижению туннельного тока на порядки!
Разберем этот вопрос более подробно. Структуру металлический затвор–диэлектрик-полупроводник можно рассматривать как обычный плоский конденсатор с определенной ёмкостью. Эта ёмкость влияет на основные рабочие характеристики транзистора и определяется толщиной подзатворного диэлектрика (tox), его площадью (S), а также свойствами самого материала диэлектрика.
Рассчитайте, во сколько раз увеличится толщина диэлектрика при замене диоксида кремния на high-k материал. Относительная диэлектрическая проницаемость диоксида кремния е(SiO2) = 3.9, а high-k материала е(high-k) = 15.6. С целью сохранения рабочих характеристик транзистора ёмкость обеих структур должна быть одинакова. (4 балла) Во сколько раз при такой замене SiO2 на high-k снизится величина туннельного тока? (4 балла)Туннельный ток, проходящий через подзатворный диэлектрик, можно аппроксимировать выражением:
где А – некая постоянна, а tox – толщина слоя диэлектрика, выраженная в нанометрах, I – величина туннельного тока. Толщину слоя диэлектрика SiO2 взять равной 1.2 нм.
В 2011 году компания Intel представила новый вид транзисторов (Tri-Gate transistor) с 3D затвором (рис. 2), изготовленные по 22 нм технологии. Выход в продажу серии процессоров на их основе, названной Ivy Bridge, планируется в этом году.
Какими, по Вашему мнению, преимуществами обладает Tri-Gate транзистор по сравнению с планарными транзисторами? Ответы обоснуйте. (10 баллов)
Рис. 2. Tri-gate транзистор с трехмерным затвором.
Всего 40 баллов.
4. Размерныеэффекты в химии
Автор: Булат Гареев
Размерные эффекты в химии
Изучение экспериментальных данных и реакций атомов, кластеров и наночастиц различных элементов периодической системы позволяет сформулировать следующее определение: размерные эффекты в химии – это явление, выражающееся в качественном изменении физико-химических свойств и реакционной способности в зависимости от количества атомов или молекул в частице вещества, происходящее в интервале менее 100 атомно-молекулярных диаметров.
Сегодня уже доказано, что проявление размерных эффектов – одно из основных отличий нанохимии от химических превращений при обычных условиях проведения реакции.
Принято различать два типа размерных эффектов: собственный, или внутренний, и внешний. Внутренний связан со специфическими изменениями в объемных и поверхностных свойствах, как индивидуальных частиц, так и получаемых в результате их самоорганизации ансамблей. Внешний эффект является размерно зависимым ответом на внешнее поле или действие сил, независимых от внутреннего эффекта.
Эксперименты с внутренним размерным эффектом направлены на решение проблем электронных и структурных свойств кластеров. К таковым относятся: химическая активность, потенциал ионизации, энергия связи между атомами в частице и между частицами, кристаллографическая структура. Температуру плавления и оптические свойства также можно рассматривать как функции размера частицы и ее геометрии. Зависимость пространственного расположения электронных уровней носит название квантового размерного эффекта.
Температура плавления.
Изменение температуры плавления металлов в зависимости от размера частиц, один из первых эффектов, привлекших внимание многих исследователей. С уменьшением размера температура плавления может изменяться на несколько сотен градусов, а для золота при переходе от компактного металла, к частицам размером 2 нм температура плавления изменяется на 1000(!) градусов.
С температурой плавления связан переход из твердой фазы в жидкую, когда кристаллическая структура твердой фазы исчезает и заменяется неупорядоченным состоянием жидкости. Значительное изменение температуры плавления с уменьшением размера частиц металла может отражаться на их активности и селективности.
Зависимость температуры плавления от размера частиц металла рассматривается на основе двух моделей: одна из них использует представления термодинамики, другая — колебания атомов.
Зависимость температуры плавления наночастиц металлов от размера объясняется также на основе критериев (модель колебания атомов), предложенных Линдеманом. Для описания свойств наночастиц предложено уравнение:
где Tm(r) и Tm(∞) – температуры плавления нанокристалла и компактного металла соответственно, K; h – соответствует высоте монослоя атомов в кристаллической структуре.
Данное уравнение можно использовать для прогноза понижения температуры плавления нанокристаллов, если известен параметр б, который обычно определяется из соответствующих экспериментальных данных.
Каким образом изменяется температура плавления с уменьшением размеров частиц? Объясните данное изменение с одной стороны с позиции представлений термодинамики, а с другой с позиции колебания атомов. Постройте график зависимости температуры плавления золота от размера частиц, если б=1,6. (радиус атома Au равен 144 пм; ковалентный радиус равен 134 пм; радиус иона (−3e)=185 пм; (+1e)=137 пм; плотность (при нормальных условиях) равна 19,32 г/смі; температура плавления равна 1337,58 К (1064,43°C); теплота плавления равна 12,68 кДж/моль; кубическая гранецентрированная решетка типа Cu, пр. группа Fm3m; параметры решётки: 4,0781 Е; отношение c/a=1; температура Дебая=170,00K). (15 баллов)Кинетические особенности химических процессов с участием наночастиц.
Реакции на поверхности имеют первостепенное значение в процессах стабилизации и поведения наночастиц. Для адсорбированных на поверхности наночастиц реагентов химическая реакция не может рассматриваться как процесс в бесконечном объеме с постоянной средней плотностью (концентрацией) молекул, так как размер поверхности наночастиц мал и сопоставим с размерами частиц реагентов. В подобных системах кинетика бимолекулярной химической реакции является кинетикой в ограниченном объеме и отличается от классической.
Реакции с участием малого количества молекул обычно являются диффузионно-контролируемыми. Анализ подобных реакций проводят в предположении, что они могут быть охарактеризованы константой скорости, одинаковой для всех пар реагентов. На основе этого предположения был проведен анализ кинетики бимолекулярных реакций на поверхности.
Для реакции А + А → С кинетика гибели реагентов описывается уравнением:
где 
и 
– средние по образцу, содержащему макроскопическое число наночастиц, текущая и начальная концентрации реагентов на поверхности наночастиц; Вn – сложная функция. При получении уравнения использована гипотеза о равенстве константы скорости k для всех пар реагентов.
Термодинамические особенности наночастиц.
В наночастицах значительное число атомов находится на поверхности, и доля их увеличивается с уменьшением размера частиц. Соответственно, возрастает и вклад поверхностных атомов в энергию нанокристалла. Поверхностная энергия жидкости всегда ниже поверхностной энергии соответствующего кристалла.
С изменением размеров связан ряд термодинамических свойств наночастиц. Концентрация вакансий в наночастицах повышается с уменьшением их размера (под вакансией понимается замена атома в узле решетки), одновременно изменяются параметры решетки, возрастают сжимаемость и растворимость.
Согласно химической термодинамике, равновесие в процессе превращения исходных реагентов Аi в продукты Вi запишется в виде:
где нi и мj, – соответствующие стехиометрические коэффициенты.
Константа равновесия при фиксированных давлении и температуре связана с изменением изобарного потенциала уравнением:
В стандартном состоянии ∆G0 выражается уравнением:
Изменение ∆G0 можно записать и в виде уравнения:
Теоретические исследования термодинамики малых частиц и эксперимент показывают, что размер частицы является активной термодинамической переменной, определяющей вместе с другими термодинамическими переменными состояние системы.
Может ли использование высокодиспергированных частиц значительно сместить равновесие системы, как это можно использовать? Как отличается значение потенциала Гиббса дисперсного реагента от стандартных значений массивной фазы. Ответ подтвердите уравнением. Напишите уравнение изменения изобарного потенциала ∆G для реакции
с участием дисперсных реагентов, а также уравнение для константы равновесия Kp. (15 баллов) Всего 40 баллов.
5. Связи в наномире
Автор: Иван Стойков
В молекулярной механике химическая связь представляет собой пружинку, которую можно или растягивать, или сжимать, а молекула изображается как набор атомов. Сейчас существует много эмпирических способов задания свойств химической связи - так называемые валентные поля. В общем виде молекулярная механика ищет минимум энергии, используя потенциальные кривые типа кривой Морзе и закон Гука. Учитываются в таких подходах и потенциалы угловых деформаций, которые, как правило, выбираются в квадратичной форме. Включаются в этот подход и торсионные функции, и взаимодействия типа Ван-дер-Ваальса. Итак, химическая связь – явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы.
Объясните с точки зрения химических связей причину нестабильности атомарного состояния, 1D и 2D структур переходных металлов. (6 баллов) Кого из упомянутых исследователей можно назвать дедушкой атомно-силовой микроскопии? (2 балла) Дайте определение терминам самоорганизация (self-organization) и самосборка (self-assembly). Какой из подходов, предложенных Р. Фейнманом, невозможно реализовать без этих процессов? (4 балла) Объясните, что такое молекулы без связей (без химических связей). Приведите примеры и название таких соединений. (4 балла) К какому типу соединений относится соединение олимпиада? (4 балла) Изобразите структуры образующихся в реакциях А и B продуктов. К каким классам веществ их следует отнести? Где металлоорганические координационные полимеры нашли практическое применение в нанотехнологии? (20 баллов)
Всего 40 баллов.
