Энциклопедический словарь нанотехнологий - размерный эффект

Термин на английском

Синонимы

Аббревиатуры

Связанные термины

квантовая точка, наноионика, нанокристалл, сверхрешетка, ультрадисперсныйОпределение

Комплекс явлений, связанных с существенным изменением свойств физико-химических вещества вследствие:

1) непосредственного изменения размера частиц или квазичастиц (зерен, кристаллитов);

2) вклада границ раздела в свойства системы;

3) соизмеримости размера частиц или квазичастиц с физическими параметрами, имеющими размерность длины и определяющими свойства системы (размер магнитных доменов, длина свободного пробега электрона, дебройлевская длина волны, размер экситона в полупроводниках и т. д.).

Под размерными эффектами в биологии понимают размерно-зависимое изменение биологических (физиологических и т.п.) свойств вещества.

Размерные эффекты наблюдаются при уменьшении размера структурных элементов: частиц, кристаллитов и зерен ниже некоторой пороговой величины. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются при размерах зерен менее 10 нм. Квантовые размерные эффекты проявляются в электронных свойствах вещества или материала и связаны с уменьшением размерности электронного газа, что приводит к изменению энергетического спектра с непрерывного (в трехмерных полупроводниках) на дискретный (ступенчатому в двумерных, расщепленному в одномерных и полностью дискретному в квазинульмерных полупроводниках) вследствие его расщепления.

Влияние размера частиц на физико-химические свойства вещества можно объяснить наличием поверхностного давления, действующего на вещество. Это дополнительное давление, которое обратно пропорционально размеру частиц, приводит к увеличению энергии Гиббса и, как следствие, повышению давления насыщенных паров над наночастицами, уменьшению температур кипения жидкой фазы и плавления твердой (рис. 2). Изменяются и другие термодинамические характеристики константы равновесия и стандартные электродные потенциалы. Так, при уменьшении размера наночастиц серебра стандартный потенциал пары Ag⁺/Ag может стать отрицательным, и серебро будет растворяться в разбавленных кислотах с выделением водорода.

Размерный эффект широко распространен в гетерогенном катализе. Во многих случаях наночастицы проявляют каталитическую активность там, где объемная фаза не активна. Так, нанокластеры золота катализируют селективное окисление стирола на воздухе до бензальдегида: C6H5CH=CH2 ^? C6H5CH=O, тогда как обычное золото на эту реакцию действия не оказывает.

Размерные эффекты в биологии носят совсем иной характер. Биологические молекулы, полимеры и внутриклеточные структуры наноразмерны, однако их свойства (функции) определяются в основном структурой, а не размерностью. Вместе с тем, взаимодействие искусственных конструкций с биологическими структурами не только структурой, но и размерностью. Например, проницаемость кожи и кровеносных сосудов для липосом зависит от размеров последних. Как следствие, упаковка в липосомы лекарственных средств приводит к изменению таких важных фармакологических свойств последних как время циркуляции в крови и распределение в органах. Создание наноразмерного рельефа на поверхности синтетических материалов лучше стимулирует адгезию клеток по сравнению с микрорельефом и используется в тканевой инженерии. От размера и рельефа поверхности наночастиц зависят: механизм и эффективность их эндоцитоза, а также внутриклеточная локализация. Токсичность частиц также может определяться размерностью. Например, золотые наночастицы размером 1.4 нм обладают наиболее высокой токсичностью по сравнению с другими размерами, т.к. специфически встраиваются в большую бороздку ДНК и индукцируют смерть клеток.

• Гусев Александр Иванович, д.ф.-м.н.
• Борисенко Григорий Геннадиевич, к.б.н.
• Еремин Вадим Владимирович, д.ф.-м.н.

Разделы

Методы сертификации и контроля наноматериалов и диагностики их функциональных свойств

Наука