|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Био-физико-химические основы наноинженерииучебный курс
- Автор: Хомутов Г.Б.
- Год создания: 2010
- Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Описание: Цель и задачи курса. Курс имеет целью систематическое рассмотрение процессов структурообразования на нано-уровне и взаимосвязей между химическим составом, структурной организацией, особенностями физических и химических взаимодействий на нано-уровне и физико-химическими свойствами наносистем и наноматериалов различной природы, включая биологические системы. Особое внимание уделяется методам получения новых функциональных наноструктурированных и гибридных материалов различной размерности, основанным на общих принципах формирования наноструктур путем комбинирования и интегрирования синтетических, физико-химических и биомиметических методов и подходов (физической и химической адсорбции, монослойной ленгмюровской техники, формирования поликомплексов, биоминерализации, химического сшивания, конкурентных взаимодействий, замены лигандов и др.) с использованием процессов самосборки и самоорганизации. 1. Введение. Определение нанотехнологии. Задачи нанотехнологии. История возникновения термина «нанотехнология» и наук о наноразмерных объектах и системах. Физика, химия и биология – фундаментальная база нано-науки и нанотехнологий. Классификация нано-объектов, примеры нано-объектов и наносистем. Характерные особенности явлений и взаимодействий в наноструктурах и наносистемах. Соотношение и роль объемной области и поверхности в структуре и свойствах нано-объектов. Влияние размера и структуры на свойства наноматериалов. Некоторые примеры практического применения наноматериалов и наносистем. Классификация методов создания наноматериалов и наносистем – подходы, основанные на принципах «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Синтетические и биомиметические методы. Перспективы развития нано-науки и нанотехнологий. 2. Организованные наносистемы различной размерности. 0-мерные (точки): кластеры, фуллерены, нанокристаллы, наночастицы, мицеллы, функциональные молекулы (включая био-молекулы); Одномерные: цепочки, наностержни, нанопровода, нанотрубки, линейные молекулы (в том числе молекулы ДНК), волокна; Двумерные: поверхности, границы раздела фаз, нанопленочные структуры и материалы, слои (в том числе монослои), мембраны, нанопленочные покрытия, планарные наносистемы и нанокомпозиты; Трехмерные: объемные нанопористые, нанокомпозитные и наноструктурированные органические, неорганические и гибридные органико-неорганические материалы, коллоидные системы, капсулы. 3. Физические свойства нано-объектов и некоторые примеры нано-устройств и функциональных наносистем. Оптика нанообъектов. Плазменный резонанс в металлических наноструктурах. Оптические свойства квантовых точек. Квантоворазмерный эффект. Магнетизм нанообъектов. Электрические свойства и перенос зарядов в нано-объектах. Квантовое сопротивление. Туннелирование электронов. Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада. Спинтроника. Некоторые примеры нано-устройств и функциональных наносистем. Одноэлектронные приборы. Создание с использованием биомиметического подхода первого в мире одноэлектронного нанокластерного транзистора, функционирующего при комнатной температуре. Элементы электронных запоминающих устройств на основе транзисторов с плавающим затвором, включающих нанокомпозитные пленки Ленгмюра-Блоджетт. Фотонные кристаллы. Наносенсоры. 4. Методы создания наносистем и наноматериалов. Традиционные подходы (сверху-вниз) - использование на нано-уровне технологий микроуровня (литография, ионные пучки, эпитаксия, микроманипуляции и др., ). Микросферная нанолитография. Наноманипуляции с использованием СЗМ. Механические и электрические методы диспергирования. Синтетические подходы (снизу-вверх) - создание функциональных наносистем и наноматериалов из атомов, молекул и нано-объектов с использованием управляемых процессов синтеза и последовательной сборки нано-компонентов. Химические методы синтеза нано-объектов. Синтез и стабилизация наночастиц и кластеров. Синтез наноматериалов в одномерных и двумерных нанореакторах. Биомиметические стратегии, использование принципов самосборки и молекулярного узнавания биологических молекул. Нано-биоматериалы и биоминерализация. Монослойная и мультислойная сборка. Метод Ленгмюра-Блоджетт. Адсорбционные методы (послойная чередующаяся адсорбция нано-компонентов, самособирающиеся слои). Самосборка планарных структур на поверхности подложки и в объеме жидкой фазы. Проблемы интеграции нано-, микро- и макросистем. 5. Основные методы и средства изучения структуры и свойств наноматериалов и наносистем. Микроскопия (зондовая, СЗМ), электронная (сканирующая СЭМ и просвечивающая ПЭМ), оптическая, (в том числе микроскопия ближнего поля). Методы дифракции и рассеяния (нейтронов, рентгеновских лучей, электронов, света и др.). Спектроскопия (в видимой, УФ, ИК, СВЧ, и других областях спектра), спектроскопия электронного магнитного резонанса. Методы исследования механических характеристик и веса нано-объектов. Электрокинетические методы. 6. Поверхности и границы раздела фаз в нано-объектах и наносистемах. Понятие поверхности и границы раздела фаз. Поверхностное натяжение. Термодинамика гетерогенных систем, включающих границы раздела фаз. Подход Гиббса. Уравнение адсорбции Гиббса. Метод слоя конечной толщины. Условия равновесия системы с границей раздела фаз. Уравнение Юнга-Лапласа. Зависимость поверхностного натяжения от размеров системы. Капиллярные явления. Смачивание. Гидрофобность и гидрофильность. Методы измерения поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Уравнение Кельвина. Капиллярная конденсация. Уравнение Юнга. Смачивание. Флотация. Эффект Марангони. Термодинамика образования новой фазы и процессы зародышеобразования. Термодинамика тонких пленок. Работа адгезии, работа когезии и их связь с поверхностным натяжением. 7. Электростатические свойства поверхности нано-объектов. Межфазные скачки потенциала. Связь поверхностного натяжения и поверхностного потенциала. Уравнение Липпмана. Электрокинетические явления. Методы исследования электростатических свойств поверхности. Методы молекулярных зондов. Теоретическое моделирование электростатических свойств поверхности. Двойной электрический слой. Уравнение Пуассона-Больцмана. Теория Гуи-Чапмена. Модель на основе Доннановского потенциала. Изоэлектрическая точка. Свободная энергия двойного слоя. Распределение зарядов в пространстве вблизи заряженной поверхности. Слой Штерна. Неоднородное распределение зарядов на поверхности и эффекты дискретности заряда. 8. Роль поверхности и границ раздела фаз в процессах, протекающих в нано-объектах и наносистемах. Основные явления и процессы, протекающие на поверхности нано-объектов. Химические процессы на границе раздела фаз. Физическая и химическая адсорбция. Гетерогенный катализ. Феноменологическое описание адсорбции. Уравнение адсорбции Ленгмюра. Адсорбционные нанопленки. Структурообразование на границе раздела фаз. Влияние ПАВ на физико-химические свойства материалов. Эпитаксия. Биоминерализация. Взаимодействия в гетерофазных и коллоидных системах. Агрегативная и седиментационная устойчивость. Слияние и агрегация коллоидных частиц. Поверхностные силы. Расклинивающее давление. Природа взаимодействий, обусловливающих силы притяжения и отталкивания поверхностей. Эффекты, обусловленные поверхностным потенциалом. Силы Ван-дер-Ваальса. Теория стабильности коллоидных систем Дерягина-Ландау-Вервея-Овербека. Латеральные капиллярные силы. Взаимодействие ионов различной валентности с поверхностями различной природы (монослои, мембраны и др.). 9. Монослойные наноструктуры. Монослои на границе раздела фаз газ-жидкость. Ленгмюровские монослои амфифильных молекул. Амфифильные молекулы и принцип независимого поверхностного действия Ленгмюра. История исследования молекулярных монослоев на поверхности водной фазы. Термодинамика молекулярных монослоев на границе раздела фаз. Фазовые и структурные состояния мономолекулярных пленок. Образование поверхностных монослоев путем самопроизвольного растекания конденсированного вещества. Стабильность мономолекулярных пленок. 2D-3D переход. Поверхностное натяжение и стабильность бислойных липидных мембран. Экспериментальные методы исследования мономолекулярных пленок на границе раздела газ-жидкость. Ленгмюровская ванна. Изотермы сжатия. Строение и основные физико-химические свойства нерастворимых монослоев. Физико-химические свойства смешанных монослоев. Монослои и пленки, содержащие макромолекулы (белки и другие полимеры) и супрамолекулярные комплексы. Комплексы ДНК с ленгмюровским монослоем. Взаимодействие биологически-активных веществ с Ленгмюровским монослоем. Монослои амфифильных полимеров. Поверхностные мицеллы. Нанокомпозитные и гибридные органико-неорганические монослои. Монослои, содержащие пресинтезированные наночастицы и кластеры. Химические реакции в монослоях. Синтез неорганических наночастиц и наноструктур в водной фазе в контакте с поверхностью монослоя. Двумерный синтез неорганической нано-фазы в Ленгмюровском монослое. Монослои на границе раздела жидкость-жидкость. Монослои на поверхности твердых подложек. Перенос монослоев. Адсорбционные монослои. Самособирающиеся монослои. 10. Нанослои и нанопленки. Нанослои и нанопленки, локализованные на поверхностях и границах раздела фаз. Самособирающиеся нанослои и нанопленки. Нанослои на границе раздела фаз жидкость-жидкость. Пленки Ленгмюра-Блоджетт. Перенос молекулярных монослоев на твердотельные подложки. Получение моно- и мультислойных пленок заданной структуры и состава. Структура и свойства моно- и мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджетт. Полимерные пленки Ленгмюра-Блоджетт. Металлсодержащие пленки Ленгмюра-Блоджетт как модели двумерных магнитных систем. Электропроводящие пленки. Комплексы полиэлектролитов и поверхностно-активных веществ. Нуклеолипиды. Амфифильные катионы и трансмембранный перенос комплексов ДНК. Нанослои, получаемые методом послойной чередующейся адсорбции. Мультислойные полиионые комплексы и нанопленочные материалы. Нанопленки, находящиеся в свободном состоянии в объемной жидкой фазе. Нанопленочные везикулы и капсулы. Липосомы. Явление самопроизвольного образования нанокомпозитных нанопленок в объеме жидкой фазы. Химические реакции в нанопленках. 11. Методы модификации и функционализации поверхностей. Гидрофобизация и гидрофилизация поверхностей. Эффект лотоса и ультрагидрофобные поверхности. Незапотевающие поверхности, получаемые методом послойной сборки нанослоев. Наноструктурированные поверхности. Нанокерамические покрытия. Получение биосовместимых и бактерицидных поверхностей. Радиопоглощающие покрытия. Нанесение рисунка на поверхность с использованием СЗМ. Электрораспыление. Импринтинг. 12. Получение, структура и свойства композитных и гибридных наноматериалов. Объемные полимерные материалы, содержащие неорганические наночастицы. Методы введения наночастиц в полимерную матрицу. Синтез неорганических наночастиц в полимерной матрице. Композитные пленки, содержащие неорганические наночастицы. Синтез неорганических наночастиц в полимерной пленке методом противоточной диффузии реагентов. Крейзинг. Синтез неорганических наночастиц в нанореакторах (пористые матрицы, мицеллы и т.д.). Предельно тонкие организованные монослойные полимерные и композитные наноструктуры. Кластеры и наночастицы в Ленгмюровских и полимерных пленках. Ленгмюровские пленки как исходный тонкопленочный металлорганический материал для получения металлических, керамических, покрытий и слоев углеродных нанотрубок. Планарные неорганические и органико-неорганические нанопленочные суперструктуры, получаемые методом послойной чередующейся монослойной адсорбции. Композитные капсулы. Перспективы практического применения композитных и гибридных наноматериалов. 13. Физико-химические свойства, структурная организация и функциональные особенности основных биологических наноструктур и наносистем. Биогенные наноструктуры различной размерности (белки, нуклеиновые кислоты, супрамолекулярные комплексы, мембранные структуры). Роль амфифильных молекул, полимеров и супрамолекулярных наноструктур в организации и функционировании живых систем. Наноструктуры, образуемые липидами (монослои, бислойные структуры, мицеллы, и др). Липопротеиды. Ферменты. Неорганические нано-компоненты биологических систем. Магнитные наноструктуры и железо в биогенных системах. Ферритин. Магнитосомы. Нанофазные оксиды железа и нейродегенеративные патологии. Фоточувствительные белки (родопсин, бактериородопсин). Фотосинтетические системы. Митохондрии. Системы мембранного дискретного электронного транспорта. Трансмембранные градиенты концентраций ионов и электрического потенциала. Активный транспорт. Молекулярные моторы. 14. Композитные и гибридные нанобиоматериалы. Иммобилизованные на поверхности комплексы ДНК и биочипы. Био-неорганические гибридные наноматериалы, включающие биомолекулы. Использование биомолекулярных структур в качестве темплатов для синтеза организованных неорганических наноструктур (цепочки наночастиц, нанопровода и наностержни, и др.). Комплексы ДНК и био-неорганические наноструктуры. Коньюгаты полупроводниковых наночастиц и биомолекул. Коньюгаты металлических наночастиц и биомолекул. Коньюгаты магнитных наночастиц и биомолекул. 15. Наноматериалы и наноразмерные элементы устройств для био-медицинских применений. Средства доставки диагностических агентов, лекарственных, биологически-активных веществ и терапевтических генов. Искусственные вирусы для трансмембранного переноса нуклеиновых кислот. Капсиды вирусов в качестве средств доставки нуклеиновых кислот и других биологически-активных веществ. Нанопленочные капсулы и наноразмерные полимерные комплексы со структурой типа ядро-оболочка для транспорта и контролируемого высвобождения лекарств. Активные элементы биокаталитических наносистем и биосенсоров, содержащие биогенные компоненты (ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела и рецепторы, клеточные органеллы, клетки, и др.). Полиэлектролитные комплексы, содержащие биогенные компоненты. Методы регистрации данных в биосенсорах (электрохимические, электронные, микрогравиметрические, оптические (поглощение света, рамановское рассеяние, флуоресценция, поверхностные плазмоны, и др.), на основе сканирующей зондовой микроскопии). Магнитные наночастицы в биотехнологиях и медицине (контрастирующие агенты в магнитной томографии, абсорбенты электромагнитного излучения в гипертермии, компоненты средств адресной доставки лекарственных веществ и др.). Бактерицидные материалы. Наноструктурированные биосовместимые материалы, покрытия и поверхности для протезов и имплантантов, культивирования клеток, лечения ожогов. Литература. 1. G.A. Ozin, A.C. Arsenaulk, “Nanochemistry. A Chemical approach to nanomaterials”, Published by the RSC, Cambridge CB40WF, UK, 2005. 2. “Biocatalytic Technology and Nanotechnology”, Edited by G.E. Zaikov, Nova Science Publishers Inc., Hauppauge, NY, 2004. 3. M. Giersig, G.B. Khomutov (Editors), “Nanomaterials for application in medicine and biology”, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2008, 188p. 4. G.B. Khomutov, Yu. A. Koksharov, Effects of Organic Ligands, Electrostatic and Magnetic Interactions in Morphological Control of Inorganic Nanomaterials: a Case of Interfacially-formed Planar Noble Metal and Iron Oxide Nanostructures, in: “Trends in Surface Science Research”, Edited by C.P. Norris, Nova Science Publishers, NY, 2006, pp.55-96. 5. “Magnetic Nanoparticles”, Edited by S.P. Gubin, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2009. 6. “Springer Handbook of Nanotechnology”, Bhushan B. (Editor), Springer Berlin Heidelberg, 2007. 7. D.S. Goodsell, “Bionanotechnology, Lessons from Nature”, A John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004. 8. O. Shoseyov, I. Levy, “Nanobiotechnology, BioInspired Devices and Materials of the Future”, Humana Press Inc., Totowa, New Jersey, 2008. 9. J.Z. Zhang, Z. Wang, J. Liu, S. Chen, G. Liu, “Self-Assembled Nanostructures”, Kluwer Academic/Plenum Publishers New York, 2004. 10. “Bio-inorganic Hybrid Nanomaterials: Strategies, Syntheses, Characterization and Applications”, E. Ruiz-Hitzky, K. Ariga, Y.M. Lvov (Editors) WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2008. 11. А. Адамсон, Физическая химия поверхностей, М.: “Мир”, 1979. 12. А.И. Русанов, “Фазовые равновесия и поверхностные явления”, Химия, Ленинград, 1967. 13. Современная теория капиллярности. Ред. А.И. Русанов, Ф.Г. Гурич, Л.: Химия, 1980. 14. В.Г. Ивков, Г.Н. Берестовский, Динамическая структура липидного бислоя, М.: “Наука”, 1981. 15. А.Б. Рубин, Биофизика: в 2-х книгах, М.: “Высш. шк.” 1987. 16. Б.Албертс, Д.Брей, Дж.Льюис, М.Рэфф "Молекулярная биология клетки", в 5-ти томах, "Мир", М., 1986. 17. А. Ленинджер, Биохимия, М.: “Мир”, 1974. 18. В.А. Твердислов, А.Н. Тихонов, Л.В. Яковенко "Физические механизмы функционирования биологических мембран", Изд. МГУ, М., 1987. 19. И. Пригожин, Д. Кондепуди, Современная термодинамика., М. Мир, 2002. 20. В.И. Ролдугин, Физикохимия поверхности, ООО Издательский Дом «Интеллект», 2008, 565 с.
- Добавил в систему: Хомутов Геннадий Борисович