Ультрадисперсные коллоидные системы

Для установления связей между коллоидной химией и нанохимией целесообразно вспомнить об основных этапах развития коллоидной химии. После исследований М. Фарадея (1857 г.), в которых впервые были получены устойчивые коллоидные растворы (золи) высокодисперсного красного золота, именно эти системы с размером частиц порядка 5 – 100 нм были в центре внимания многих физиков и химиков второй половины XIX в. и начала XX в. Экспериментальные свойства коллоидных растворов привели к открытию основных законов коллоидной химии – закона броуновского движения и диффузии коллоидных частиц (А. Эйнштейн), гетерогенной природы коллоидных растворов (Р. Зигмонди), седиментационно-диффузионного равновесия дисперсий в поле силы тяжести (Ж. Перрен) и в центрифуге (Т. Сведберг), светорассеяния (Дж. Рэлей), коагуляции золей электролитами (Г. Шульце и В. Гарди). Изучение свойств коллоидных растворов разнообразных веществ позволило установить фундаментальный принцип универсальности коллоидного состояния (П. Веймарн). 

Появление во второй половине XX в. высокоразрешающих методов изучения строения веществ (ЯМР, электронная и атомно-силовая микроскопия, специальная техника для измерения очень малых поверхностных натяжений вплоть до 10 – 3 мДж . м – 2, компьютерное моделирование, фотон-корреляционная спектроскопия и ряд других) позволило перейти к систематическому исследованию строения и свойств ультрадисперсных коллоидных систем. За последние 30 – 35 лет в этой области изучены принципиально новые классы ультрадисперсных систем (ярким тому примером могут служить микроэмульсии – термодинамически устойчивые системы, в которых дисперсная фаза состоит из капель диаметром в несколько нанометров). Огромный опыт, накопленный в коллоидной химии при изучении ультрадисперсных систем, может быть эффективно использован для решения ряда исследовательских и прикладных задач нанохимии, так как, по сути, эти системы являются наносистемами, вопрос о том, как называть частицы размером от 1 до 100 нм, скорее терминологический, чем смысловой: термины «наночастицы» и «наносистемы» появились только после введения системы единиц СИ, то есть намного позже, чем термин «ультрадисперсность». Однако необходимо подчеркнуть, что экстраполяция законов коллоидной химии и представлений о строении дисперсных частиц и тонких слоёв на область наноразмеров должна проводиться с большой осторожностью. Чем ближе размер дисперсной фазы частицы d к предельно возможному (то есть к наноразмеру), тем сильнее будут сказываться масштабные эффекты – зависимость различных свойств от размера частиц. Тем не менее, при выполнении надлежащих ограничений методы и концепции коллоидной химии могут успешно работать и в нанохимии. 

  Частицы наноразмеров обладают повышенной химической активностью, проявляющейся в увеличении скорости химических реакций с их участием. Это свойство наночастиц используется при создании катализаторов. Следует также отметить, что в наночастицах могут возникнуть фазы, которые не обнаруживаются в макросистемах.

В коллоидной химии разработано большое число методов получения ультрадисперсных систем, позволяющих весьма тонко регулировать размеры частиц, их форму и строение. Лауреат Нобелевской премии Т. Сведберг  предложил разделить методы получения ультрадисперсных частиц на две группы: диспергационные (механическое, термическое, электрическое измельчение или распыление макроскопической фазы) и конденсационные (химическая или физическая конденсация).

В коллоидной химии наночастицы рассматриваются как ультрадисперсные частицы. Среди ультрадисперсных систем особое место занимают системы, в которых частицы имеют специфическую коллоидную природу: к ним относятся мицеллярные системы, микроэмульсии, адсорбционные слои ПАВ на поверхности раздела фаз и слои Ленгмюра – Блоджетт.

Разработанные в коллоидной химии методы получения и исследования ультрадисперсных систем могут весьма эффективно
применяться в нанохимии и нанотехнологии. Во многих случаях методы коллоидной химии позволяют чётко регулировать размеры, форму, состав ультрадисперсных частиц и свойства образованных ими структур. Теоретические концепции коллоидной химии, касающиеся поверхностных явлений, устойчивости и эволюции дисперсных систем, в сочетании с моделями, используемыми для изучения термодинамики необратимых процессов и синергизма, могут успешно применяться и для нанодисперсных систем.