Наночастицы

Определение и общие свойства наночастиц

Наночастицы — это объекты, размеры которых находятся в диапазоне от 1 до 100 нанометров хотя бы в одном из измерений. На таком масштабе проявляются выраженные квантово-размерные эффекты, приводящие к изменениям оптических, электрических, магнитных и механических свойств по сравнению с массивными образцами того же вещества. Высокое отношение площади поверхности к объему определяет повышенную химическую активность и интенсивный массоперенос.

Квантово-размерные эффекты

При уменьшении размеров частиц до нанометрового масштаба ширина энергетических зон и структура электронных состояний претерпевают значительные изменения. В полупроводниковых и диэлектрических наночастицах возникает дискретизация уровней энергии, сходная с поведением электронов в потенциальных ямах. Это приводит к смещению края оптического поглощения, изменению цвета люминесценции и росту запрещенной зоны по мере уменьшения размера частиц (эффект квантового ограничения).

В металлических наночастицах квантово-размерные эффекты проявляются в смещении плазмонных резонансов, изменении проводимости и появлении специфических магнитных состояний, недоступных в объемных образцах.

Поверхностные явления и их роль

Для наночастиц доля атомов, находящихся на поверхности, может достигать 30–50% и более. Это приводит к следующим особенностям:

• Повышенная химическая активность, обусловленная ненасыщенными координационными связями.
• Снижение температуры плавления, что связано с уменьшением энергии связи в поверхностном слое.
• Изменение фазовых равновесий, включая стабилизацию метастабильных структур.
• Модификация оптических свойств за счет поверхностных плазмонных колебаний в металлах.

Классификация наночастиц

1. По химическому составу:

   • Металлические (Au, Ag, Pt, Cu).
   • Полупроводниковые (CdS, ZnO, Si).
   • Диэлектрические (Al₂O₃, TiO₂).
   • Углеродные (фуллерены, нанотрубки, графеновые точки).

2. По структуре:

   • Кристаллические (моно- и поликристаллы).
   • Аморфные.
   • Ядро-оболочка (core–shell).

3. По морфологии:

   • Сферические, стержневидные, кубические.
   • Нанопластины и нанопроволоки.

Методы получения наночастиц

• Физические методы: испарение и конденсация, лазерная абляция, механическое измельчение.
• Химические методы: осаждение из растворов, термическое разложение прекурсоров, микросоль-гель процессы.
• Биотехнологические подходы: синтез с использованием микроорганизмов и растительных экстрактов.

Выбор метода определяет размер, морфологию, кристаллическую структуру и дефектность наночастиц.

Оптические свойства

В металлических наночастицах доминирует явление локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР) — коллективных колебаний электронного газа, возбуждаемых электромагнитным излучением. Положение ЛППР зависит от размера, формы и диэлектрической проницаемости окружающей среды.

В полупроводниковых наночастицах (квантовых точках) оптические свойства контролируются размером, что позволяет тонко настраивать длину волны люминесценции. Это делает их востребованными в лазерной технике, дисплеях, солнечных элементах и биомедицинской визуализации.

Магнитные свойства

Магнитные наночастицы ферромагнитных материалов (Fe, Co, Ni) при определенных размерах переходят в состояние суперпарамагнетизма, когда тепловые флуктуации способны изменять направление намагниченности целой частицы. Это свойство широко используется в магнитной записи, гипертермии опухолей и системах доставки лекарств.

Механические свойства

Из-за отсутствия макродефектов и мелкозернистой структуры наночастицы обладают повышенной твердостью и прочностью. При этом возможны аномальные пластические режимы деформации, связанные с доминированием диффузионных механизмов массопереноса.

Применение в науке и технике

• Катализ: высокая удельная поверхность и наличие активных центров делают наночастицы эффективными катализаторами в химических реакциях.
• Электроника: применение в наноразмерных транзисторах, сенсорах, памяти нового поколения.
• Оптоэлектроника: квантовые точки для светодиодов и лазеров.
• Энергетика: фотокаталитическое расщепление воды, литий-ионные аккумуляторы, топливные элементы.
• Биомедицина: целевая доставка лекарств, контрастные агенты для МРТ, фототермическая терапия.

Проблемы и вызовы

• Контроль однородности размера и формы частиц.
• Стабилизация против агрегации.
• Оценка токсичности и биосовместимости.
• Разработка экономичных и масштабируемых технологий производства.