Наноматериалы и нанотехнологии

14.6. Бионические и самособирающиеся материалы

Оптимизация отдельного параметра биоматериала обычно включает в себя точную регулировку особого признака структуры. Комбинация нескольких желательных свойств является вопросом контроля структуры и организации в различных размерных масштабах. Природные материалы, особенно древесина, сухожилия, хрящи, шелк и кости, являются иерархическими структурами. Прочность кости обусловлена соединением органических и неорганических материалов (молекулы белка коллагена и кристалла минерала гидроксиапатита). Существуют определенные типы организации в первичной структуре спиралей коллагена, в расположении кристаллов вдоль фибрилл в масштабе 100 нм и расположение пластинок остеона в субмиллиметровом масштабе и макропористости основного веще-

ства (рис. 14.10).

Рис. 14.10. Иерархическая структура кости [8]

Близким к идее иерархии является использование модульности структуры – создание материалов путем сборки одинаковых мелких единиц (древесина). Главный мотив природных конструкционных

231

В настоящее время «программная» молекула ДНК используется как конструкция для синтеза материалов (рис. 14.12). Важным моментом для химика-материаловеда является то, что информация по воспроизводству заключается в высокоспецифических внутримоле-

232

лекула в форме усеченного двадцатигранника, полученная путем программирования самосборки нитей ДНК.

Полезным приемом самосборки также является использование матриц.

14.7. Наномасштабные материалы и сборка

Поликристаллические материалы становятся тверже при уменьшении размеров отдельных кристаллических зерен (эффект Холла–Петча). Это связано с затруднением перемещения атомов в результате увеличения границ зерен, которое является основным механизмом деформации.

При достижении зернами размера 100 нм в диаметре действует новый механизм увеличения прочности: зерна слишком малы даже для возникновения перемещений. Наномасштабный размер зерен в керамике может увеличить ее пластичность за счет скольжения на границах зерен, между которыми образуется жидкость, служащая смазкой.

Длина волны, которую испускают полупроводники, может быть изменена путем изменения размера частиц. Созданы светодиоды с излучающим элементом в виде тонкой пленки частиц селенида кадмия толщиной несколько нанометров.

Конструирование материалов с заданным набором значений энергии и оптическим спектром является основным направлением развития нанофотоники.

На рис. 14.13 показаны самоорганизованные квантовые точки, которые

233

образуются путем осаждения составляющих их элементов из паровой фазы на поверхность подложки.

14.8. Наноматериалы для информационных технологий. Техника отображения

Внастоящее время полностью оптический компьютер создан

вединичных экземплярах. В 1990 г. Алан Хуан из Белл-лаборатории создал макет оптического компьютера (Digital Optical Compyte, DOC). Коммерческие оптические процессоры выпускала фирма EnLight 2.56-1. Ядро процессора работает на оптических технологи-

ях, вход и выход на электронных технологиях, быстродействие

( 8 1012 операций в секунду), 15 видеоканалов, стандарта HDTV. Эти процессоры открывают новое направление в голографии 3D телевидения.

Основные элементы оптических процессоров с переносом изображения – линза, зеркало, оптический транспарант. Транспарант – прозрачная пластина, на которой каким-либо способом нанесено изображение, представляющее собой пространственное распределение коэффициента поглощения, коэффициента преломления и слой пространства. В настоящее время к ним добавились волновые элементы, а также лазеры, полупроводниковые многоэлементные фотоприемники, нелинейные оптические среды, разного рода дефлекторы и светоклапанные устройства.

Основным «фотонным материалом» является арсенид галлия в отличие от кремния, который можно назвать «электронным материалом». Однако его период отличается от периода кристаллической решетки кремния. Созданы галлий-нитридные лазеры синего и фиолетового света УФ-диапазона. Разрабатываются фотонные интегрированные схемы, в которых вся обработка проводится на основе световых сигналов. Такие сигналы могут переноситься световодами, впаянными в микросхему. Для коммутации световых сигналов можно использовать нелинейные оптические эффекты. Для передачи светового сигнала можно использовать трехмерные фотонные кристал-

234

лы. Структура фотонного кристалла не должна поглощать свет нужной длины волны. Полная фотонная энергетическая щель («совершенная оптическая изоляция») требует большого различия по показателю преломления между элементами структуры и окружающей средой. Примером является селеновое стекло, заключенное в коллоидный кристалл диоксида кремния, который затем вымывается. Образуется инфракрасный фотонный кристалл.

Активно развивается гибрид электронных и фотонных технологий – оптоэлектроника.

Техника отображения – перевод электронных и фотонных данных в визуальное окно в диапазоне шкалы электромагнитных волн, которые воспринимает человек. Это большая проблема промышленности и науки. Это приборы типа телевизионных экранов. Электронные средства информации вытесняют чернила и бумагу как средство для всех видов письменной информации.

Рис. 14.14. Электронно управляемые чернила [8]

Разработаны «электронные чернила»: материалы, которые имеют форму тонкой пленки, подобны застывшей черно-белой картине чернил и бумаги и могут электронно перестраиваться в новые страницы. Этот микроструктурированный прибор можно рассматривать как разновидность «умного» композитного материала

(рис. 14.14).

235

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря своим феноменальным свойствам (рекордные механические характеристики, уникальная тепло- и электропроводность, оптические и магнитные свойства, металлическая или полупроводниковая проводимость в зависимости от геометрических параметров)

иих сочетаниям, углеродные нанотрубки обладают широчайшим потенциалом применений: сверхпрочные волокна, пряжа, ткань, композиционные материалы, чипы памяти, логические схемы, наносенсоры, полевые эмиттеры, НЭМС, искусственные мускулы, топливные элементы, хранилища для газов, солнечные батареи, ион-литиевые батареи, суперконденсаторы, адсорбенты, биодатчики, средства для внутриклеточной доставки лекарства, материалы для имплантатов

ипротезов, источники рентгеновского излучения, электромагнитные экраны, материалы для оптоэлектроники и волоконные сенсорные системы, нанокатализаторы, элементы будущих наномашин и т.д.

Не меньшие перспективы имеет графен и другие двумерные материалы виде графеновых лент, которые являются полупроводниковыми наноструктурами, в отличие от листов графена, являющегося полуметаллом. На их основе построены электронные сверхрешетки

иволноводы на графене.

Материаловедение в настоящее время благодаря наноматериалам и нанотехнологиям превратилось из инженерной дисциплины в основную часть фундаментальной и прикладной междисциплинарной науки, где сотрудничают ученые многих направлений.

Будущее информационных технологий, энергетики, транспорта, космических технологий медицины и химической технологии зависит от изобретения новых материалов.

NBIC-технологии – нанотехнологии (Nano) вместе с биотехнологиями (Bio) (клеточной и молекулярной), информационными (Inform) и когнитивными (Cognitio – знание, познание) технологиями – являются ключевыми технологиями в новой индустриальной революции первой четверти XXI в. и вносят решающий вклад в формирование шестого технологического уклада, идущего на смену пятому

236

технологическому укладу (начало 1981 г.) с его телекоммуникационными и робототехническими технологиями, который заканчивается примерно в 2018 г.

Это следует из теории «длинных волн экономической динамики» – больших циклов, открытых русским экономистом Н.Д. Кондратьевым (1898–1938). Впоследствии его теорию развил австрийский экономист Й. Шумпетер, введя понятие о К-циклах, выдвинув гипотезу о существовании длительных макроэкономических и ценовых циклах продолжительностью 40–44 года. Каждый К-цикл состоит из подъема, развития, насыщения, стагнации и связан с волной инноваций:

1-й цикл – промышленная революция, с 1803 до 1841–1843 гг.; 2-й цикл – эра пара и железных дорог, с 1844–1851 до 1890–

1896 гг.; 3-й цикл – эра стали, электричества и тяжелого машинострое-

ния, с 1891–1896 до 1945–1947 гг.; 4-й цикл – эра нефти, автомобилей и массового производства, с

1945–1947 до 1981–1983 гг.; 5-й цикл – эра информации и телекоммуникации, с 1981–1983

до 2018 г. (прогноз); 6-й цикл – эра нано-, био-, инфо- и когнитотехнологий, с 2018

до 2060 г. (прогноз).

Поскольку в интервалах между концом одного и началом другого К-цикла накапливаются напряжения и обостряются противоречия в экономической и социальной сфере, нас ожидает яростно меняющийся мир в XXI в.

Отметим, что специалистов широкого профиля, владеющих всеми NBIC-технологиями, готовит Московский физико-техниче- ский университет совместно с научным центром «Курчатовский институт» [9].

На обложке этой книги представлена репродукция картины художника Рене Магритта «Heureux presage» (Хорошее предзнаменование). Будем надеяться, что эта прекрасная птица летит из будущего мира NBIC-технологий.

237

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии: пер. с англ. – 5-е изд. – М.: Техносфера, 2010. – 336 с.

2.Суздалев И.П. Нанотехнология. Физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2-е изд. – М.: Либроком, 2009. – 592 с.

3.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника. – СПб.:

Лань, 2011. – 544 с.

4.Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники / Дж.М. Мар- тинес-Дуарт [и др.]. – М.: Техносфера, 2009. – 368 с.

5.Рыжонков Д.И., Лёвина В.В., Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. – 365 с.

6.Лозовский В.Н., Константинова Г.С., Лозовский С.В. Нанотехнология в электронике. – 2-е изд. – СПб.: Лань, 2008. – 336 с.

7.Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю.А. Чаплыгина. –

М.: Техносфера, 2005. – 448 с.

8.Болл Ф. Материалы будущего // Нанонаука и нанотехнологии: Энциклопедия систем жизнеобеспечения / Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана. – М.: Магистр-Пресс: Изд-во ЮНЕСКО: EOLSS, 2009.

9.Головин Ю.М. Основы нанотехнологий. – М.: Машинострое-

ние, 2012. – 656 с.

10.Мартин-Пальма Р., Лахтакия А. Нанотехнологии. Ударный вводный курс: пер. с англ. – Долгопрудный: Интеллект, 2014. – 208 с.

11.Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения / Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана. – М.: Магистр-

Пресс: Изд-во ЮНЕСКО: EOLSS, 2009. – 991 с.

12.Фэн Сонлинь. Микроэлектромеханические системы // Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения / Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана. – М.: Магистр-Пресс: Изд-во ЮНЕСКО: EOLSS, 2009.

13.Косцов Э.Г. Наноэлектромеханические системы // Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения /

238

Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана. – М.: Магистр-Пресс: Изд-во ЮНЕСКО: EOLSS, 2009.

14.Получение и исследование наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнологиям / А.А. Евдокимов [и др.]; под ред. А.С. Сигова. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. – 146 с.

15.Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов: учеб. пособие. – М., 2007. – 424 с.

16.Новоселов К.С. Графен: материалы Флатландии: [Нобелев-

ская лекция] // Успехи физ. наук. – 2011. – Т. 181, № 12. – С. 1129– 1311.

17.Наноструктуры в электронике / под ред. Ф. Рахмана. – М.: Техносфера, 2010. – 344 с.

18.Анциферова И.В. Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 345 с.

19. Порозова С.Е., Кульметьева В.Б. Получение наночастиц и наноматериалов: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн.

ун-та, 2010. – 135 с.

20. Иванов А.С., Пахомов Г.И. Физические основы микро- и нанотехнологий: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. по-

литехн. ун-та, 2011. – 311 с.

239

СПИСОК ВОПРОСОВ ДЛЯ ЗАЧЕТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ»

1.Основные классы наноматериалов и нанотехнологий.

2.Углеродные нанокластеры, наноструктуры и наноматериалы.

3.Объемные наноструктурированные материалы.

4.Электрические и магнитные свойства наносистем и наноматериалов.

5.Самосборка и катализ. Поверхностные эффекты.

6.Биологические наноструктуры.

7.Нанотехнологии.

8.Методы измерения, исследования и формирования наноструктур.

9.Зондовые технологии.

10.Методы исследований и измерений наноструктур.

11.Применение наноматериалов и нанотехнологий.

12.Оптические волокна с фотонно-кристаллической структу-

рой.

13.Периодические доменные структуры в сегнетоэлектрических кристаллах.

14.Наномашины и наноприборы.

240