9.1. Теоретические предпосылки

До этого мы рассматривали задачи познания окружающего мира, которые встречаются в так называемом макромире, то есть на том количественном уровне мироздания, где находимся мы с Вами. Мы обитаем в макромире, реальном и предметном мире пространства и времени. Мы видим этот мир глазами и «трогаем руками». Но Вам известно, что макромир с двух сторон как бы «окружают» мегамир и микромир.

«Вглубь» макромира «уходит» микромир и наномир, с электронами, атомами и молекулами, фотонами и фононами. Следовательно, при изучении окружающего нас мира Вы должны понимать, что существует принципиально иной структурный уровень организации материи: микро- и наномир. В 1954 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман, читая лекцию, образно выразился по поводу этого уровня материи в названии лекции: «Там внизу полным-полно места».

Итак, наше познание должно уметь проникнуть «глубже», во все более «тонкие и сложные структуры мира», в так называемые микромир и наномир. В мир, где частицы и системы частиц, которые имеют размеры от 1 микрометра до 100 нанометров. Этого от нас требуют многие современные технологии (прежде всего проводниковые и компьютерные технологии), которые оперируют частицами в микромасштабе (порядка 10^-6 метра), а наиболее продвинутые уже совершили переход от микромира в наномир (1 нанометр – 10^-9 м).

К сожалению, «крохотный микромир» с размерами от одной миллионной одной до миллиардной метра можно видеть лишь с помощью микроскопа, да и то отчасти. Как Вы знаете, в микромасштабе оперируют, чтобы наблюдать известных представителей микромира - бактерий, эритроцитов в крови, яйцеклетки. Но, чтобы ответить на вопрос, что такое наномир, уже недостаточно взять в руки микроскоп и увеличить изображение в миллионы раз. Наномир нам в привычном представлении не виден. Нужно включить воображение, чтобы образно представить, что такое этот мир, визуализировать картину этого мира в своем сознании. Попытки использовать привычную экспериментальную технику для изучения материальных носителей субмикромира, то есть еще более «тонкого», чем микромир, сталкиваются с непреодолимыми трудностями. Человечество уже столетия делает микроскопы, видит с их помощью микромир, но преодолеть предел разрешения в микрон не может. Вам еще со школьной скамьи известно, что пространственное разрешение любого оптического метода ограничено дифракцией. Даже на окраине микромира «макро»- приборы не могут «ощутить индивидуальность» отдельных элементарных частиц.

Сегодня свойства вещества в оптическом диапазоне длин волн можно изучать с пространственным разрешением в десятки нанометров. Для видимого света, который и дарит нам привычную гамму цветов, предел разрешения составляет около 200 нм. Это та граница на шкале размеров, которая отделяет макро- и микромир ярких красок, от бесцветного наномира, в котором само понятие естественного спектра цветов, теряет смысл.

Наномир широко используется в так называемых нанотехнологиях - в области точных и естественных наук, имеющих дело с объектами размером 10 в минус девятой степени метра. Заметим, что идея использования наномира возникла у человечества тогда, когда оно осознало, что идти по пути сегодняшних технологий расточительно. В предыдущие 200 лет развитие промышленности было достигнуто ценой затрат около 80 % ресурсов Земли. Это было обусловлено технологиями, которые не ограничивались в ресурсах. Например, чтобы сделать фотоаппарат весом 100 граммов, необходимо затратить несколько килограммов металла и других материалов. Сначала делаются заготовки, потом они обтачиваются и с них удаляется «лишнее». Большинство сегодняшних технологий работают, как «скульпторы» – преимущественно удаляют все лишнее,- а это очень материальнозатратно. Ресурсов веществ на Земле становится все меньше, поэтому надо идти по иному пути – «собирания» этого фотоаппарата из молекул, например, напылять детали, конструируя форму из микрочастиц. Аналогично поступает Природа, которая нас не «обтесывает» из слона, а создает из наночастиц, из ДНК, РНК.

Нанонаука привлекла внимание ученых тогда, когда обнаружили, что наноматериалы, в том числе и конструкционные, благодаря высокой удельной межфазной поверхности (размер частиц не больше 100 нм) обладают особыми свойствами, отличающимися от свойств макрообъектов. Например, металлы с нанесенными наночастицами имеют лучшие показатели по таким свойствам, как вязкость и твердость. Объектами нанотехнологии могут быть нанотрубки, фуллерены, нанокомпозиты, микропористые материалы, супрамолекулярные ансамбли и устройства, тонкие пленки и поверхностные слои, микроэмульсии и т. д.

Нанотехнология и наука о материалах связаны не только с химией и химической технологией, но и с физикой, биологией, компьютерным моделированием, энергетикой медициной и т.д.

Заставляет современных ученых задуматься об использовании наномира и разработке нанотехнологий также проблема энергопотребления.

По последним расчетам ученых, скоро численность населения земли достигнет 10 миллиардов человек, к концу века людей станет еще больше - 25 миллиардов. Очевидно, что использовать материалы и энергию так, как это происходит сейчас, по меньшей мере, неосторожно, потому что энергоресурсы исчерпаемы. Надо не забывать о грядущих поколениях. Приведем пример. Человечество тратит на освещение примерно 20% вырабатываемой электроэнергии. Можно строить, строить и строить электростанции, а можно экономить электроэнергию. Если идти путем экономии энергии, тогда не нужно будет строить столько энергоблоков. Если заменить всем нам знакомые лампы накаливания на энергосберегающие лампы, то получится серьезная экономия электроэнергии. Но даже это не панацея. Самым оптимальным решением на сегодняшний день могут стать полупроводниковые источники дневного света, которые созданы с использованием нанотехнологий. Полупроводниковые источники имеют КПД порядка 90%, их срок службы достаточно большой (больше 10 лет). Если законодательно перевести строящиеся сейчас дома на светодиодное освещение, то мы сможем сэкономить как минимум 50% энергии. Так что вместо, к примеру 20 энергоблоков можно построить 10. Это и есть использование наномира для потребностей человечества.

Можно привести и другие примеры использования наночастиц. Это, в частности, фильтры по очистке воздуха или воды. Подобные фильтры должны содержать мембраны с огромным количеством пор, которые будут задерживать нежелательные частички. Широко используется «нано» сейчас в материаловедении, чтобы создавать конструкционные стали с исключительными свойствами.

Эксперимент 10. Изучение основных представлений о применении достижений супрамолекулярной химии

Задание 14.

Кратко опишите, для каких целей может быть использована супрамолекулярная химия