Наномолекула: понятие и структура¶

Наномолекула — обобщающее название для молекулярных объектов, характерный размер которых лежит в диапазоне примерно от 1 до 100 нанометров хотя бы по одному измерению. Термин не является строгим в химической номенклатуре: им пользуются в нанотехнологии, физике и материаловедении, чтобы обозначить крупные молекулы, молекулярные ансамбли и наноразмерные частицы, чьё поведение определяется как химией отдельных атомов, так и коллективными эффектами. К наномолекулам относят, в частности, фуллерены, дендримеры, некоторые полимеры, белковые глобулы и молекулярные кластеры.

¶Определение и границы понятия

Единого формального определения нет. В научной литературе под наномолекулой чаще всего понимают частицу или молекулу, размер которой сопоставим с нанометровым масштабом и которая сохраняет дискретную атомную структуру, а не является сплошным кристаллическим телом. Нижняя граница (около 1 нм) отделяет наномолекулы от обычных малых молекул, верхняя (около 100 нм) — от микрочастиц и коллоидных систем.

Ключевое отличие наномолекулы от макроскопического вещества — резкий рост доли поверхностных атомов и проявление квантово-размерных эффектов. Именно поэтому свойства наномолекул не выводятся простым масштабированием свойств того же вещества в объёме.

¶История изучения

Интерес к объектам нанометрового размера возник задолго до появления самого слова «нанотехнология». В 1959 году Ричард Фейнман прочитал лекцию «Там внизу много места», где поставил вопрос о манипуляции отдельными атомами. В 1974 году японский исследователь Норио Танигути ввёл термин «нанотехнология».

Поворотным событием стало открытие в 1985 году фуллерена C₆₀ — молекулы из 60 атомов углерода, образующей замкнутую сферу. За это открытие Роберт Кёрл, Харольд Крото и Ричард Смолли получили Нобелевскую премию по химии 1996 года. В 1991 году Сумио Иидзима описал углеродные нанотрубки. Дальнейшее развитие методов сканирующей зондовой микроскопии и химического синтеза сделало наномолекулы предметом прикладных разработок.

¶Классификация

Наномолекулы удобно разделять по происхождению и строению.

Дендримеры — это разветвлённые макромолекулы с регулярной древовидной структурой и высокой плотностью концевых групп. Квантовые точки — полупроводниковые нанокристаллы, чей спектр люминесценции зависит от размера. Биологические наномолекулы, такие как белки, служат природными образцами для создания искусственных аналогов.

¶Свойства

Для наномолекул характерен ряд особенностей:

• Большая удельная поверхность. Доля атомов на поверхности может достигать десятков процентов, что резко повышает химическую активность.
• Квантово-размерные эффекты. Энергетические уровни электронов становятся дискретными и зависят от размера частицы; это определяет, например, цвет квантовых точек.
• Самоорганизация. Многие наномолекулы способны спонтанно собираться в упорядоченные структуры за счёт слабых взаимодействий — водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил.
• Изменение температуры плавления. Наночастицы металлов плавятся при заметно более низкой температуре, чем массивный образец.
• Оптические и магнитные аномалии. Плазмонный резонанс наночастиц золота и серебра даёт яркие цвета, зависящие от размера и формы.

¶Методы получения и исследования

Синтез наномолекул ведут двумя основными путями. Восходящий подход («снизу вверх») предполагает сборку из атомов и молекул методами химии — например, восстановление солей металлов в присутствии стабилизаторов. Нисходящий подход («сверху вниз») заключается в измельчении массивного материала — литографии, механическом или лазерном диспергировании.

Для исследования применяют сканирующую туннельную и атомно-силовую микроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ, спектроскопию ядерного магнитного резонанса и динамическое рассеяние света.

¶Применение

Наномолекулы используются в нескольких крупных направлениях:

• Медицина. Адресная доставка лекарств с помощью липосом и дендримеров, контрастные агенты для визуализации, сенсоры биомаркеров.
• Материаловедение. Наполнители для композитов, покрытия с заданными свойствами, катализаторы с высокой активностью.
• Электроника. Квантовые точки в дисплеях, органические полупроводники, элементы молекулярной электроники.
• Энергетика. Материалы для солнечных элементов, топливных элементов и аккумуляторов.
• Экология. Сорбенты для очистки воды и воздуха, разлагаемые наноструктурированные упаковки.

¶Безопасность и регулирование

По мере роста производства наноматериалов встаёт вопрос об их воздействии на здоровье и окружающую среду. Из-за малого размера наночастицы способны проникать в клетки и преодолевать биологические барьеры, а их токсичность зависит от химического состава, формы и покрытия поверхности. В ряде стран действуют программы оценки нанобезопасности и реестры наноматериалов; единых международных норм пока не выработано.

¶Связь с другими понятиями

Наномолекула занимает промежуточное положение между классической молекулой и наночастицей. Её изучение связывает органическую и неорганическую химию, физику конденсированного состояния, биологию и инженерию. Именно на этом стыке возникли такие дисциплины, как супрамолекулярная химия и нанотехнология в целом.