Welcome

Оксид азота (II) и наночастицы

Проблема устойчивости микроорганизмов к антибиотикам требует новых подходов к лечению вызванных ими заболеваний. Существуют внутрибольничные штаммы бактерии (синегнойной палочки), устойчивые вообще ко всем известным антибиотикам. В таких случаях для уничтожения патогена применяют новейшие антибиотики, классические антибактериальные препараты (например, ионы серебра) и даже фототермическое разрушение клеток.

Сам организм наряду с прочими способами для борьбы с вторжением микробов использует оксид азота NO, который вырабатывают макрофаги и другие клетки воспалительного ответа. К оксиду азота чувствительны как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии, причем концентрация газообразного NO, смертельная для микробов, безопасна для клеток млекопитающих.

К сожалению, доставить NO к бактериям – задачка не из легких. Сначала были попытки использовать небольшие молекулы, например, комплексы NO с металлами, способные высвобождать газообразный NO. Однако для достижения антибактериального эффекта требовались довольно высокие концентрации таких соединений: в водной среде NO высвобождается слишком быстро, не достигая цели.

Исследователи из университета Северной Каролины (США) нашли способ, как заключить NO в наночастицы диоксида кремния. Наночастицы имеют ряд преимуществ по сравнению с низкомолекулярными источниками NO – прежде всего, большее время высвобождения газообразного оксида азота, который, к тому же, требуется в меньших концентрациях.

2

Рис. Наночастицы, высвобождающие оксид азота (II)

Ученые показали, что созданные ими наночастицы эффективны для борьбы с синегнойной палочкой in vitro. Кроме того, ни сами по себе частицы, ни выделяемый ими оксид азота не наносят вреда фибробластам мыши. Таким образом, новая стратегия борьбы с патогенами обещает быть успешной. Что же, подождем, что покажут испытания in vivo.

Нанокластеры воды. Наночастицы и пероксид водорода.

Нанокластеры воды

Одной из особенностей воды является взаимодействие молекул воды, соединенных водородными связями, образовывая водные кластеры. Их жизнь быстротечна, и потому они с трудом поддаются изучению. Только недавно выяснилось, что водные кластеры обладают большими электрическими дипольными моментами.

Интересно, что нанокластеры присутствуют даже в обычной воде. Они представляют собой агломераты из отдельных молекул воды, соединенных друг с другом водородными связями. Подсчитано, что в насыщенном водяном паре при комнатной температуре и атмосферном давлении на 10 миллионов одиночных молекул воды приходится 10000 димеров (Н2О)2, 10 циклических тримеров (Н2О)и один тетрамер (Н2О)4.

В жидкой воде обнаружены и частицы гораздо большей молекулярной массы, образованные из нескольких десятков и даже сотен молекул воды.

нанокластеры воды

 

Наночастицы и пероксид водорода

Бактерии, которые обитают в зубном налёте и являются главной причиной разрушения зубов, научились избегать антибактериальной терапии, прячась внутри липкой полимерной биоплёнки на зубной эмали. Но теперь учёные разработали наночастицы, которые эффективно разрушают зубной налёт и предотвращают развитие кариеса.

Наночастицы, представленные командой из Пенсильванского университета, катализируют активность перекиси водорода - распространённого природного антисептика. Активированная перекись водорода представляет собой свободные радикалы, которые одновременно разрушают структуру биоплёнки и убивают бактерии.

В основе нового исследования лежит работа Лицзэна Гао (Lizeng Gao), опубликованная в 2007 году в журнале Nature Nanotechnology. Он одним из первых показал, что наночастицы, до тех пор считавшиеся биологически и химически инертными, могут обладать свойствами ферментов (природных ускорителей). Например, учёный продемонстрировал, что наночастицы из оксида железа катализируют окислительные реакции подобно ферменту пероксидазе.

В ходе лабораторных экспериментов учёные выращивали биоплёнку, населённую бактериями стрептококками, аналогичными тем, что встречаются на зубной эмали. Затем они воздействовали на искусственно полученный зубной налёт сахарами, чтобы вызвать окисление среды. После этого исследователи вводили наночастицы, которые прилипали к биоплёнке и катализировали активацию перекиси водорода. Мало того, даже после курса "лечения" наночастицы оставались на месте и были готовы снова проявить свои каталитические свойства при последующем окислении среды.

Опыты показали, что наночастицы в сочетании с однопроцентным раствором перекиси водорода всего за пять минут уничтожают более 99,9% бактерий. Это в 5 тысяч раз эффективнее, лечения с использованием только перекиси водорода.

наночастицы перекиси

Рис. Разложение пероксидсодержащих наночастиц с выделением кислорода.

Угарный газ и экология

Каталитическое окисление выхлопных газов автомобилей можно уменьшить, если применить наноструктурированую платину.

kat

Рис. Наноструктурированный платиновый катализатор

Известно, что значительный ущерб окружающей среде и здоровью человека наносят автомобили. Так, в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) были обнаружены угарный газ (СО), циклические ароматические углеводороды (СН), оксид азота (II) (NO)

Для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу в устройствах каталитического окисления выхлопных газов автомобилей может быть применена платина. Платина позволяет превратить оксид углерода (II) в оксид углерода (IV). Особенно эффективно каталитические свойства проявляет платина, находящаяся в наноструктурированном виде.

Задания:

1) Составьте уравнение превращения оксида углерода (II) в оксид углерода (IV). Что нужно, кроме платины, чтобы из оксида углерода (II) образовался оксид углерода (IV)?

2) Сколько наночастиц состава Pt20 можно получить из 3,5 см3 металла? (плотность платины составляет 21,45 г/см3)

 

Наночастицы в стекле

Стекло – это из традиционных неорганических материалов. Окраска стекол вызвана введением в силикатную матрицу отдельных катионов металлов или наночастиц. Только в этом случае стекло сохраняет прозрачность. Уже частицы микродиапазона интенсивно отражают и рассеивают свет, что приводит к утрате прозрачности стекол. Именно это наблюдается, например, в древних стекловидных эмалях – они непрозрачные. Молочное стекло получают, целенаправленно вводя в шихту (то есть в расплавленное стекло в процессе его варки) порошок флюорита. Окраска стекол обусловлена электронными свойствами катионов металлов и их окружением в силикатной матрице (тетраэдрическим или чаще октаэдрическим). Так, известно, что ионы меди(II) окрашивают стекло в голубой цвет, ионы марганца(III) в фиолетовый, ионы кобальта в темно-синий, ионы железа(II) придают стеклу бледный зеленовато-голубоватый оттенок. Характерные окраски сообщают стеклам ионы редкоземельных элементов. Ионы железа(III) в окружении атомов кислорода практически бесцветны, однако наночастицы оксида железа(III) придают стекла коричневую окраску, хорошо известную нам по бутылочному стеклу. Если варка такого стекла происходит при более высокой температуре, происходит частичное восстановление железа с образованием наночастиц магнетита, придающих стеклу зеленую окраску (аналог осадка «зеленой ржавчины», выпадающей при действии щелочи на раствор железного купороса, хранившийся на воздухе). Такие зеленые стекла также хорошо известны школьникам. А вот наночастицы золота и оксида меди(I) придают стеклам золотой цвет («золотой рубин» и «медный рубин»).

силикатная промышленность

Рис. Стекла, окрашенные наночастицами (коричневое и зеленое бутылочное стекло, золотой рубин (парфюмерный флакон, XIX век), селеновый рубин (кремлевские звезды и ваза, 1960-е годы, завод «Красный май»).

Задача

ребус

Открытие именно этой аллотропной модификаций углерода является  удивительным и важнейшим открытием в науке XX столетия. В настоящее время данная аллотропная модификация, содержит 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в 1 нм, и напоминающий футбольный мяч.

На основе такой аллотропной модификации уже синтезировано более 3000 новых соединений. Активное изучение процессов хлорирования в различных условиях началось в 1991 году.

Были созданы биологически активные производные этой аллотропной модификации, которые могли бы найти применение в биологии и медицине, связано с приданием его молекуле гидрофильных свойств.

Задания:

1) С помощью химического ребуса отгадайте, о какой аллотропной модификации шла речь.

2) Вычислите объем углекислого газа, образующегося при сжигании 1 грамма данной аллотропной модификации, и массу карбоната кальция, который можно получить из этой порции газа в реакции с окисидом кальция.

 

Наноалмазы

Наноалмазы (НА) представляют собой ультрадисперсную разновидность углеродной фазы. Эти наночастицы имеют кристаллическую решетку типа алмаза с множеством поверхностных дефектов, которые образуют высокополярные группировки органического типа.

наноалмаз

Схематическое изображение наноалмаза

Наноалмазы были независимо открыты несколькими научными группами в Советском Союзе и по сей день являются предметом активного изучения в России. Возросшая популярность наноструктур делает очень привлекательной разработку технологических применений НА.

Получение углеродных частиц со структурой алмаза при высоком давлении и температуре, начавшееся в 50-х годах прошлого века, эволюционировало в детонационную технологию получения НА. Сырьем служит углерод, входящий в состав взрывчатых веществ, далее наночастицы размером около 5 нм очищают с помощью азотной кислоты и отмывают для получения неагрегированных ультрадисперсных систем. Детонационное производство НА является относительно недорогим.

Наноалмазы имеют большую удельную поверхность и, как показали исследования, проявляют ряд необычных свойств. С помощью модификации поверхности наноалмазов эти наночастицы превращаются в превосходные агенты для доставки лекарств (они гораздо меньше в размерах используемых в биомедицине липосом и полимерсом и не токсичны); также можно создавать на их основе нанокомпозиты и антипригарные покрытия, абразивные составы, адсорбенты, элементы электроники и пр.

наноалмаз 0

Слева направо: электронная фотография НА; схематическое изображение его поверхностных функциональных групп; голубое флуоресцентное свечение дисперсии модифицированных НА.

Основное преимущество НА для использования в биомедицинских целях – это отсутствие токсичности, поскольку зарекомендовавшие себя в таких приложениях флуоресцентные наночастицы, называемые квантовыми точками, из-за токсичности не могут широко применяться in vivo. Гидрофобные флуоресцентные НА открывают новые пути визуализации клеточных мембран и других гидрофобных компонентов биологических систем.

Наноалмаз используется для инициирования роста алмазных пленок более 10 лет, но только в последние год были получены нанокристалические пленки с параметрами, близкими к алмазу.

Применяется в качестве добавки в пластические смазки для снижения интенсивности износа, изготовление твердосмазочных покрытий, лажных мазей, а также добавляется в резину, керамику, пластмассы, для существенно улучшения характеристик, повышения износостойкости.

Наноразмерная сера

Наноразмерная сера со средним размером частиц 20-25 нм применяется для защиты растений и стимулятора роста для зерен пшеницы, в химической промышленности для получения серной кислоты и серосодержащих солей, для вулканизации резины.

Способ получения наноразмерной серы

Водный раствор полисульфида кальция концентрацией 10-20% окисляют при комнатной температуре в присутствии 10-20%-ного раствора соляной кислоты при объемном отношении раствора полисульфида натрия к соляной кислоте, равном 1:(0,10-0,15). Окисление полисульфида кальция происходит в результате окислительно-восстановительной реакции между соляной кислотой и полисульфидом кальция, которую можно записать в виде:sera

При этом цепочка из 4-х атомов серы, несущих на себе заряд, равный заряду двух электронов в молекуле полисульфида кальция (Са+2S4-2), отдает 2 электрона и окисляется до нейтрального состояния (4S0) согласно схеме:

сера1

Образовавшуюся суспензию фильтруют, осадок высокодисперсной серы промывают сначала водой, а затем этиловым спиртом и сушат с получением целевого продукта – сухого порошка наноразмерной серы. Изобретение позволяет обеспечить безопасность процесса получения наноразмерной серы (http://www.findpatent.ru/patent/245/2456231.html).

Препарат, содержащий наноразмерную серу с размерами частиц 10-40 нм, обладает более высокой фунгицидной активностью, чем традиционно используемая коллоидная сера с размерами от 10 мкм до 20 мкм.

 

Аллотропные модификации углерода

 

Графен

n2

5 октября 2010 г. в Стокгольме были названы лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 г. Самую престижную из премий получили два выходца из Росси – Константин Новоселов и Андрей Гейм за основополагающие эксперименты с графеном. 

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой в структуру, напоминающую пчелиные соты.

n2.1

 Для получения графена плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди многих пленок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес).

 Ожидается, что графен:

  • заменит кремний в микросхемах (чипы на его основе станут легче, производительнее, стабильнее в работе, будут потреблять меньше электроэнергии и меньше рассеивать тепла);
  • придет на смену тяжелым медным проводам в космонавтике и авиации;
  • будет использован при создании гибких сенсорных дисплеев и солнечных батарей;
  • найдет применение в качестве сенсора для обнаружения отдельных молекул.

К тому же, графен по прочности превосходит все известные материалы. Гамак, выполненный из графена, невидим глазом, но сможет выдержать вес четырехкилограммового кота.

n2.2

 Вопросы и задания:

  1. Обладает ли графен электропроводностью?
  2. Горит ли графен? Если да, то составьте уравнение горения графена.
  3. Вычислите, сколько литров углекислого газа может образоваться при горении 1 грамма графена.
  4. Может ли графен использоваться при создании полупроводников материалов?

Какие еще аллотропные модификации как углерода, так и других химических элементов вам известны.

Кремлевские звезды

При знакомстве школьников с силикатной промышленностью можно представить следующий материал о получении стекла – «Кремлевские звезды».

n1

Первые кремлевские звезды из рубинового стекла были установлены в 1937 году. Современное остекление они получили сразу после великой отечественной войны. Сейчас звезды представляют собой стальной каркас заполненный рубиновым и молочно-белым стеклом, прослоённым прозрачным хрустальным. Молочное стекло рассеивает свет ламп и отражает значительную долю дневного света, тем самым делая рубиновое стекло светлее.

 n1.1

Окрашивание стекла в рубиново-красный цвет объясняется присутствием в нем наночастиц вещества Х1. Для их синтеза используют желтый порошок Х2 (бинарное соединение, встречающееся в природе в виде минерала, массовая доля одного из элементов равна 22,16%) и простое вещество Х3 серого цвета с неярким серебристым блеском. Эти вещества вводят в расплавленное стекло и нагревают его в печи. Известно, что Х3 легко сгорает в кислороде, причем продукт этой реакции дает с водным раствором газа, образующегося при обжиге Х2 на воздухе, другую аллотропную форму вещества Х3 красного цвета. А обжиг Х2 в кислороде приводит к образованию коричневого соединения Х4, которое легко восстанавливается водородом до металла.

 Задания учащимся:

 Что происходит при взаимодействии Х2 с Х3?

 Запишите уравнения всех упомянутых реакций и назовите все неизвестные вещества. Какие частицы придают стеклу рубиново-красный цвет? 

 Приведите способы получения этих веществ в виде водного раствора.

 

Ученикам

Материал для учащихся к урокам 

Последние отзывы из разных разделов