1. Нанобөлшектерді синтездеудің негізгі әдістері және олардың айырмашылықтары

Нанобөлшектерді синтездеудің екі негізгі әдісі бар: жоғарыдан төменге (Top-down) және төменнен жоғарыға (Bottom-up). Жоғарыдан төменге әдісінде ірі материалдар механикалық немесе физикалық өңдеу арқылы наномасштабқа дейін кішірейтіледі. Мысалы, шарлы ұнтақтау немесе литография сияқты тәсілдер қолданылады. Бұл әдістің кемшілігі – бөлшектердің біртектілігі нашар және қалдықтардың көп болуы. Ал төменнен жоғарыға әдісінде нанобөлшектер атомдар мен молекулалардан химиялық немесе биохимиялық реакциялар арқылы құралады. Бұл әдіс арқылы біркелкі, нақты өлшемдегі нанобөлшектерді алуға болады. Мысалы, коллоидты синтез немесе сол-гель әдісі жатады.

2. Top-down және Bottom-up әдістерінің артықшылықтары мен кемшіліктері

Top-down әдістерінің артықшылықтары – олар өнеркәсіптік деңгейде кеңінен қолданылады және дайын материалдардан бастау алады. Алайда, бұл әдіс қымбатқа түседі, нанобөлшектердің өлшемін дәл бақылау қиын және көп қалдықтар пайда болады. Bottom-up әдісі арқылы бөлшектерді атом деңгейінен бастап құрастыруға болады, сондықтан олардың өлшемі мен формасын жақсы бақылауға болады. Бұл әдіс таза және тиімді, бірақ синтез шарттарына (температура, рН, реагенттер) сезімтал, және өндірістік масштабта іске асыру қиындау болуы мүмкін.

3. Физикалық бу тұндыру (PVD) және химиялық бу тұндыру (CVD) әдістерінің айырмашылығы

Физикалық бу тұндыру (PVD) әдісінде материал вакуум жағдайында буланып, беткі қабатқа конденсацияланады. Бұл процесс тек физикалық өзгерістерге негізделген және химиялық реакциялар жүрмейді. Мысалы, буландыру немесе тозаңдату әдістері жатады. Ал химиялық бу тұндыру (CVD) әдісінде газ күйіндегі реагенттер беткі қабатта химиялық реакция арқылы жаңа материал түзеді. Бұл әдіс арқылы біртекті әрі тығыз қабаттар түзіледі. Сонымен, негізгі айырмашылығы – PVD физикалық процесс болса, CVD – химиялық реакцияларға негізделген.

4. Металл нанобөлшектерін алу үшін қолданылатын прекурсорлар және олардың рөлі

Металл нанобөлшектерін алу үшін әртүрлі прекурсорлар қолданылады. Ең жиі қолданылатын прекурсорлар – металл тұздары, мысалы, алтын үшін – HAuCl₄, күміс үшін – AgNO₃, платина үшін – PtCl₄. Бұл прекурсорлар нанобөлшек синтезі кезінде металл иондарының көзі болып табылады. Химиялық немесе фотохимиялық тотықсыздану нәтижесінде бұл иондар ерітіндіде металл атомдарына айналып, нанобөлшек ретінде жинақталады. Прекурсордың табиғаты мен концентрациясы бөлшектің өлшемі мен формасына әсер етеді.

5. Метанның термиялық ыдырауы нәтижесінде көміртекті нанотүтіктер түзілуі

Көміртекті нанотүтіктер метан сияқты көмірсутектердің жоғары температурада катализатор қатысында термиялық ыдырауы нәтижесінде алынады. Бұл процесте метан (CH₄) 700–1000°C температурада темір (Fe), никель (Ni) немесе кобальт (Co) сияқты катализатор бетінде ыдырайды. Нәтижесінде сутек бөлініп, көміртек атомдары катализатор бетіне шөгіп, цилиндр тәрізді графиттік құрылым – нанотүтік түрінде ұйымдасады. Бұл әдіс CVD процесінің бір түрі ретінде қарастырылады.

6. Коллоидты ерітіндіде алтын нанобөлшектерін алу әдістері

Алтын нанобөлшектерін коллоидты ерітіндіде алу үшін ең танымал әдіс – Туркевич әдісі (цитрат редукциясы). Бұл әдісте алтын прекурсоры HAuCl₄ сулы ерітіндісі қыздырылып, оған натрий цитраты қосылады. Цитрат иондары алтын иондарын тотықсыздандырып, металл алтын бөлшектерін түзеді. Сонымен қатар, цитрат тұрақтандырғыш рөлін атқарып, бөлшектердің агрегациясына жол бермейді. Бұл әдіс арқылы диаметрі 10–100 нм аралығындағы біртекті алтын нанобөлшектері алынады.

7. Брюст-Шифрин әдісінің негізгі принциптері және қолданылуы

Брюст-Шифрин әдісі – екіфазалы (су және органикалық) жүйеде металл нанобөлшектерін синтездеу тәсілі. Бұл әдісте металл прекурсоры сулы фазада ерітіледі, ал органикалық фаза құрамында тұрақтандырғыш (мысалы, алкантиол) болады. Тотықсыздандырғыш (мысалы, NaBH₄) қосылғанда, метал иондары нанобөлшекке айналып, органикалық фазаға өтеді. Бұл әдіс негізінен алтын, күміс, платина сияқты металл нанобөлшектерін синтездеуде қолданылады. Оның артықшылығы – бөлшектердің тұрақтылығы жоғары және органикалық еріткіштерде еруі мүмкін.

8. Нанобөлшектердің өлшемі олардың оптикалық қасиеттеріне әсері

Нанобөлшектердің оптикалық қасиеттері олардың өлшеміне тікелей байланысты. Мысалы, алтын нанобөлшектері плазмондық резонансқа ие. Бұл резонанс бөлшек өлшеміне қарай спектрдің әртүрлі аймағында байқалады. Өлшемі кішірейген сайын резонанс шыңы қысқа толқын ұзындығына жылжиды, яғни түс өзгереді (мысалы, қызғылттан көкшілге дейін). Сонымен қатар, өте ұсақ бөлшектерде кванттық шектеу әсері байқалып, оптикалық жолақтар өзгереді. Бұл қасиет сенсорлар мен биомедициналық құрылғыларда кең қолданылады.

9. Наноматериалдардың тұрақтылығын арттыру үшін қолданылатын химиялық әдістер

Наноматериалдардың тұрақтылығын арттыру үшін бірнеше химиялық әдістер қолданылады. Ең көп таралған әдіс – беттік модификация, яғни нанобөлшек бетіне лигандтар немесе полимерлер бекітіледі. Олар бөлшектердің агрегациясын болдырмайды. Сондай-ақ, нанобөлшек бетіне силика немесе көміртек қабықшасы жабу арқылы химиялық және термиялық тұрақтылықты арттыруға болады. Ерітіндінің рН-ын және иондық күшін бақылау арқылы да жүйенің тұрақтылығын сақтау мүмкін.

10. Нанобөлшектерді өлшемі бойынша бөлудің физикалық әдістері

Нанобөлшектерді өлшемі бойынша бөлу үшін әртүрлі физикалық әдістер қолданылады. Центрифугалау әдісі бөлшектерді тығыздығы мен өлшеміне қарай бөліп алады – үлкен бөлшектер тезірек тұнады. Ультрафильтрация – арнайы мембрана арқылы белгілі өлшемнен үлкен бөлшектерді ұстап қалуға мүмкіндік береді. Гель-хроматография әдісі де бөлшектерді өлшемі бойынша бөлу үшін тиімді. Сонымен қатар, фракциялық тұндыру (мысалы, ерітіндінің концентрациясын немесе рН-ын өзгерту арқылы) арқылы белгілі бір диаметрдегі бөлшектерді бөліп алуға болады.