3.6. Концепции нанотехнологии

Нанотехнология – это новое направление в производстве материалов с заданными свойствами, основанное на сборке вещества с запрограммированной атомной структурой путем манипулирования отдельными атомами и молекулами. На возможность сборки вещества «путем атомной укладки нужных атомов в нужное место» впервые указал Фейнман, один из ведущих физиков теоретиков 20 века, лауреат Нобелевской премии. В своей Юбилейной лекции 1960 года он подчеркнул: «… насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами…». В дальнейшем это направление стало предметом исследования ученых многих стран мира. Начиная с 70-80 годов прошлого столетия нанотехнология стала активно развиваться в Японии, США, Европе, а затем и в России. Нанотехнология сегодня – это междисциплинарная область науки и техники, которая при разработке способов производства наноматериалов должна решать следующие задачи:

1. Изучение свойств и закономерностей физико-химических процессов, проявляющихся в веществе нанометровых масштабов. Для этого создаются даже специализированные науки, такие как нанохимия, наноэлектроника, наномедицина и т.д.

К наноматериалам относят наноструктуры, наноустройства, наночастицы,, т.е. объекты, у которых хотя бы один из линейных параметров имеет несколько нанометров, но не более 100 нм (1 нм = 10^-9м). Это ничтожно малые величины, поэтому наноматериалы состоят всего из нескольких монослоев атомов или молекул. При таких условиях начинает сказываться дискретность атомно-молекулярной структуры вещества и проявляются квантовые свойства его поведения. Поэтому сборка наноструктур из атомов и молекул – это по сути качественный переход вещества от микро- к наноуровню, что приводит к появлению специфических, уникальных свойств и новых физико-химических процессов. В результате свойства наноматериалов отличаются как от свойств отдельных атомов и молекул, так и от свойств макровещества такого же химического состава. Причем установлено, что специфика и уникальность свойств наноструктур находятся в тесной зависимости от их размеров. Например, электропроводность наноматериалов начинает резко возрастать при уменьшении размеров наночастиц от величин порядка 10-20 нм. На сегодня установлен ряд специфических свойств наноматериалов, отличающих их от обычного вещества – это повышенная прочность и твердость наноструктур; высокая диффузионная и миграционная способность электронов и атомов в нановеществе; способность наноструктур к самоорганизации и самосборке и т.д. Все эти и многие другие свойства наноматериалов тщательно исследуются и уже внедряются в производство.

2. Второй не менее важной задачей нанотехнологии является установление взаимосвязи свойств наноматериалов и их атомно-молекулярной структурой. Это необходимо для программирования новых атомных структур с целью создания наноматериалов с заданными физическими, химическими и биологическими свойствами. Примером взаимосвязи свойств вещества и его атомной структуры являются различные природные модификации углерода – это всем известные графит и алмаз. Эти минералы сформировались при разных геологических условиях с различной кристаллической структурой и, как следствие, обладают принципиально разными свойствами. Графит – минерал черного цвета, имеет слоистую структуру, сравнительно мягкий, обладает высокой электропроводностью. Алмаз – это самый твердый минерал на Земле, обладает полупроводниковыми свойствами, а его прозрачные кристаллы после огранки становятся бриллиантами с изумительным блеском. Методами нанотехнологии получены другие модификации углерода с другой кристаллической структурой и новыми свойствами, например, углеродные нанотрубки. Это полые трубки, составленные из миллиона атомов углерода. Они в десятки раз легче и прочнее металлических трубок такого же диаметра и, в отличие от алмаза и графита, обладают упругими свойствами: если согнуть нанотрубку и отпустить, то она полностью восстановит свою форму. Кроме нанотрубок из углерода получены фуллерены, алмазоиды, графен. Все эти углеродные модификации обладают уникальными свойствами, а за создание графена авторы (наши соотечественники) были удостоены Нобелевской премии. Аналогичные работы по созданию различных модификаций вещества проводятся и с другими химическими элементами, что позволяет расширить спектр физико-химических и биологических свойств нанометериалов.

3. Третья группа задач связана с разработкой методов и технологий управления отдельными атомами и молекулами для сборки наноструктур с заданными свойствами. Несмотря на всю сложность задачи, такие методы успешно разрабатываются в различных научно-производственных центрах. Все эти методы основаны на использовании физико-химических свойств атомов и молекул, однако для каждой конкретной технологии они имеют свои инженерные решения.

Нанотехнология сегодня – это стремительно развивающееся направление в науке и технологии. Всего за несколько последних лет разработаны и уже внедряются в серийное производство десятки способов получения наноматериалов конструкционного и функционального назначения – это высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы; сверхтвердые покрытия, уступающие по твердости только алмазу; нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности, обладающие исключительно высокими каталитическими и адсорбционными свойствами; биосовместимые ткани для трансплантации и различные лекарства; топливные элементы и электрические аккумуляторы. Активно развивается нанобиотехнология, одной из задач которой является создание искусственных наномашин на основе биологического материала, т.е. биороботов. Создаются технологии получения тонкопленочных гетероструктурных элементов микроэлектроники.

Трудно пока спрогнозировать все области применения нанотехнологий. В настоящее время ведутся активные научные разработки по применению нанотехнологий в следующих направлениях:

Промышленность – это замена традиционных методов производства материалов и предметов потребления их сборкой непосредственно из атомов и молекул.

Микроэлектроника – это переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов которых уменьшатся до нанометров. Это откроет практически безграничные возможности для кибернетики: рабочие частоты таких компьютеров достигнут терагерцевых величин; получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах; появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами; откроется возможность создания искусственного интеллекта, наномашин и нанороботов.

При более смелых прогнозах нанотехнологии могут найти применение в сельском хозяйстве – синтез продуктов питания; в медицине – непосредственное внедрение биороботов в живой организм для оказания необходимой помощи; в энергетике – для эффективного сбора солнечной энергии в околоземном пространстве и передаче ее на Землю; в экологии; оборонной промышленности; генной инженерии и т.д.

Несмотря на столь фантастические возможности нанотехнологии, результаты ее широкомасштабного практического применения стоит ожидать лишь в ближайшие десятилетия. Для внедрения в производство нанотехнология должна решить не только чрезвычайно сложные научные и технические задачи, но и экологические проблемы. Как показали исследования, взаимодействие наноматериалов с живыми клетками приводит к непредсказуемым и опасным последствиям. Выявленные эффекты классифицируют наноматериал как «умеренный яд».

Вместе с тем очевидно, что нанотехнология, позволяющая создавать материалы с уникальными, специфическими свойствами,которых не имеют материалы, полученные традиционными способами, станет одним из ключевых направлений развития цивилизации в ближайшем будущем. Более того, развитие наноисследований, нанотехнологий и наноиндустрии будет решающим фактором, определяющим не только экономическую, но и геополитическую конкурентоспособность фирм и государств.

Президентом и правительством Российской Федерации развитие нанотехнологий рассматривается как одно из стратегических направлений формирования инновационной экономики – «экономики знаний». В 2005 году направление «Индустрия наносистем и материалы» включено в государственные научно-технические приоритеты. Нанотехнология является основой грядущей научно-технологической революции XXI века.

Контрольные вопросы

1. Материальный мир, его пространственно-временные масштабы.

2. Структурные уровни организации материи: мега-, макро-, микромир.

3. Концепции мегамира. Вселенная, галактики, звезды, планеты.

4. Эволюция Вселенной, теория «Большого взрыва».

5. Галактики. Наша галактика – Млечный путь.

6. Звезды. Эволюция Звезд. Солнце в ряду других звезд Вселенной.

7. Концепции макромира. Виды взаимодействий и законы макромира.

8. Эволюция понятий пространства и времени.

9. Специальная теория относительности (СТО). Постулаты и следствия СТО.

10. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества

11. Идеальный газ, законы идеального газа.

12. Концепции термодинамики. I, II, III начала термодинамики.

13. Синергетика – наука о самоорганизации материи.

14. Универсальный характер законов синергетики.

15. Микромир. Молекулы, атомы, элементарные частицы.

16. Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля.

17. Вероятностный характер законов микромира.

18. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Принцип дополни-тельности.

19. Концепции эволюции химии. Строение атома, молекулы.

20. Концепции нанотехнологии.