Г.П. Фетисов.

Конспект лекций

ВВЕДЕНИЕ В НАНОМАТЕРИАЛЫ

«…Это направление деятельности, на которое государство не будет жалеть никаких средств…»

В.В. Путин

Многое из того, что сегодня предлагается со стороны нанотехнологического сектора, поначалу выглядит научной фантастикой, но станет реальностью уже через несколько лет».

А. Фурсенко

Воздействие нанотехнологии на мир XXI века может стать сравнимым с воздействием парового двигателя в XVIII столетии, электричества в XX столетии и Интернета в современном обществе.

ЛЕКЦИЯ 1 (2 ч). История развития нанотехнологий.

Прародителем нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита: 2400 лет назад он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества.

В 1905 году швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр, а в 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

В 1959 году физик-атомщик, нобелевский лауреат Ричард Фейман обратил внимание ученого мира на возможность работы на уровне атомов. "Там, внизу - полно пространства" ("There's Plenty of Room at the Bottom") - так он озаглавил свою речь в Калифорнийском технологическом институте, предлагая физикам изучать материю на атомарном уровне. Фейнман отличался необычным, даже парадоксальным подходом к научным проблемам. В те годы его слова были восприняты его коллегами-физиками чисто теоретически - еще не существовало и намека на технологии, позволяющие наблюдать и оперировать отдельными атомами. И его предложение премировать того, кто сможет разместить моторчик в кубике с линейными размерами 0,01 дюйма (менее 0,3 мм) или уменьшить текст в 25000 раз, было воспринято как "шутка гения".

Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, в 1968 г разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.

Понятие "нанотехнологии" ввел в обращение в 1974 году японец Норё Танигути для описания процесса построения новых вещей из отдельных атомов. Но "отцом нанотехнологий" называют Ричарда Феймана – его пророчества не забыли. Сама десятичная приставка "нано-" происходит от греческого слова "nanos" и означает одну миллиардную часть чего-либо (в данном случае – одну миллиардную долю метра).

Однако 1974 году до реализации этой технологии было еще далеко - Танигути опередил события на 20 лет. Такая возможность стала реальной лишь на рубеже нового столетия, когда появились мощные зондовые микроскопы - уникальные "пальцы", позволяющие "пощупать" отдельные молекулы и атомы. С момента изобретения Биннингом (G.Binning) и Рорером (G.Roer) первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа в 1982 г. прошло около 12 лет, когда этот аппарат превратился из "остроумной игрушки" в один из основных инструментов нанотехнологий. Общим для этих устройств является наличие зонда (чаще всего - это тончайше заостренная игла с радиусом на ее кончике порядка 10 нм) и сканирующего механизма, способного перемещать эту иглу над поверхностью образца в трех измерениях. В отличие от прежних электронных приборов прошлого века, которые позволяли лишь наблюдать самые крупные объекты наномира, новейшие зондовые микроскопы дают потенциальную возможность "видеть" отдельные атомы и строить из них новые молекулы с новыми свойствами. Эти устройства именуют нанозондами, поскольку они скорее "щупают", чем видят, как пальцы руки незрячего человека, в них наблюдение объектов и манипуляция едины. Кончик иглы нанозонда, перемещаемой по поверхности исследуемого материала (образца) "натыкается" на выступы на нем, которые и являются отдельными атомами. По размерам этих выступов, их конфигурации и определяется что это за атом или молекула. Подавая небольшое напряжение определенной полярности, игла может притянуть к себе атом, перенести на другое место и при переключении полярности напряжения – отпустить этот атом в другое место (к другому атому).

Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли в 1985 г создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

В 1986 создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

Нанотехнология стала известна широкой публике благодаря американскому футурологу Эрику Дрекслеру, который в 1986 г опубликовал книгу, где он предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

А в 1989 году Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

Реальные результаты появились, когда другой японец, Сумио Иидзима, профессор университета Мэйдзё первым в мире создал в 1991 году нанотрубки из углерода, диаметр которых составляет несколько тысячных долей диаметра человеческого волоса, а длина – порядка 100 нанометров. Вот эти углеродные нанотрубки из сверхтонкого углеродистого материала – фуллерена и стали первым реальным наноматериалом, на основе которого строятся сейчас различные вещи, предлагаемые на рынке новых товаров. Тоненькая еле видимая нить, свитая из этих углеродных трубок, не уступает по прочности стальному канату толщиной в руку. Твердость деталей, выполненных из композитов, собранных из углеродных трубок, сравнима только с алмазом.

Открытие Сумио Иидзимы дало мощный толчок исследованиям в области нанотехнологий во всем мире. А созданные зондовые микроскопы позволили реально перейти к практическому воплощению этих идей, а также к более глубокому изучению совершенно новых, необычных свойств "наномира", который стал открывать людям свои тайны. Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструирования из атомов с помощью механической наносборки новых материалов с заданными характеристиками. В их числе сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как это происходит, например, в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы - наномашины.

В 1998 г голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.

ЛЕКЦИЯ 2 (2 ч). Нанотехнологии в России и зарубежом.

Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии» Нанотехнологии для России и для каждого человека.

«Мир вступает в новую эпоху развития, связанную с разработкой и практическим использованием достижений науки в области нанотехнологий. Наноиндустрия, которая базируется на манипуляции отдельными атомами и молекулами, конструировании из них новых материалов и изделий, будет в XXI веке определять прогресс и состояние дел во всех областях человеческой деятельности. Исходя из этого участие России в создании нанотехнологий и формировании рынка соответствующей продукции определит ее реальное место в современном мире и, соответственно, ее экономические и политические возможности.

Наноиндустрия находится на таком этапе развития, когда получение результатов определяется в первую очередь новыми идеями, а необходимое оборудование только разрабатывается. С одной стороны, уже имеются новые материалы, востребованные промышленностью и способные совершить масштабную революцию в научной и производственной сферах, с другой - нет конкурентных технологий их массового производства. В этих условиях Россия может и должна сыграть значимую роль в осуществлении и продвижении соответствующих разработок и основанных на них инновационных проектов для мировых рынков. Интеллектуальный, организационный и финансовый потенциал страны позволяет нам войти в число лидеров на международном рынке нанопродукции и наноуслуг.

Наномир бросает вызов большинству привычных представлении о характере физико-химических превращений вещества, о возможностях их использования. В ближайшие несколько лет применение нанотехнологий в промышленных масштабах качественно изменит многие сферы человеческой деятельности, повседневную жизнь людей.

Станут доступными и востребованными солнечные батареи гибкие цветные дисплеи, на порядки более быстрая и емкая электроника, методы диагностики и лечения смертельных заболеваний. Изменятся технологии строительства и архитектурные решения. Будут созданы автомобили, работающие на водородных топливных элементах. Новые системы управления, легкие и прочные конструкционные материалы значительно увеличат надежность и снизят стоимость летательных аппаратов всех типов, прежде всего самолетов и космических кораблей. Высококачественная посуда, телевизионная аппаратура высочайшего класса, практически вечные батарейки или лампочки будут доступны каждому. Устройства для фильтрования воздуха и воды существенно улучшат экологическую ситуацию. Еда будет храниться в специальных упаковках, которые смогут обеспечить сохранность продуктов, определить начинающуюся порчу и просигнализировать об этом потребителю. Одежда будет несминаемой, стойкой к воздействию воды и грязи и невосприимчивой к запахам. Цветной асфальт, контролирующий скорость движения, стены, впитывающие и перерабатывающие ядовитые выхлопы, из области сказок перейдут в реальность.

С помощью достижений в области нанотехнологий могут быть в перспективе решены ключевые проблемы цивилизации: энергетическая, экологическая и продовольственная безопасность, качество жизни, образования и общественного управления, борьба с бедностью, болезнями и терроризмом. В то же время потребуются беспрецедентные усилия мирового сообщества по ограничению развития военной нанотехники, введению режимов ограничения доступа к ней, установлению действенных процедур международного контроля, от которых будет прямо зависеть выживаемость

человечества в XXI веке.

Наномир потребует от всех нас новых знаний и навыков, фантазии и точного расчета, чувства меры. Активное вмешательство человека в преобразование материального мира на молекулярном и квантовом уровне уже сегодня требует и соответствующего духовного осмысления. Гуманистическая направленность работ в области нанотехнологий заключается в том, чтобы формировать представления о человеке как о творце и о целях прогресса, тщательно анализировать и учитывать последствия научных и хозяйственных стратегий, их влияние на общество и экологию.

Революционные изменения, связанные с внедрением нанотехнологий, приведут к резкому уменьшению потребности в неквалифицированных видах труда, предъявят новые требования к системе образования. Образование в XXI веке должно стать по-настоящему доступным и непрерывным. Междисциплинарный подход будет постепенно приходить на смену отраслевому, что сформирует условия для подготовки специалистов с системным мышлением - лидеров, способных воспринимать нанотехнику как сплав индустрии, науки, экономики и духовной организации общества.

Идеология продвижения в России новых проектов развития высоких технологий требует формирования соответствующей революционной по сути парадигмы мышления, разработки организационных и экономических механизмов, адекватных поставленным задачам.