ЕНКМ_4 часть

Заповедник – это охраняемая территория, на которой запрещена любая хозяйственная деятельность, в том числе и посещения людьми. Его цель – сохранение и изучение естественного хода природных процессов и явлений, генетического фонда растительного и животного мира, отдельных видов и сообществ растений и животных, типичных и уникальных экологических систем. В заповедниках имеются редкие и исчезающие виды, уникальные старые деревья, рощи и другие. В нашей стране насчитывается около 80 заповедников (в том числе расположенный в Татарстане Волжско-Камский биосферный заповедник) общей площадью 20 млн. га (1,2% территории).

Заказники – охраняемая природная территория, на которой под охраной находится не весь природный комплекс, а некоторые его части: отдельные природные, историко-мемориальные или геологические объекты. Они служат для сохранения, воспроизводства и восстановления отдельных видов животных и растений. Для обеспечения неприкосновенности охраняемых объектов в заказниках запрещены отдельные виды хозяйственной деятельности (охота, рыболовство, сенокос, выпас скота), в то время как другие виды деятельности, не влияющие на охраняемые объекты, могут быть разрешены. В нашей стране – более 1500 заказников на площади 56 млн. га (3% территории).

Национальные природные парки – это территории, где в целях охраны окружающей среды ограничена деятельность человека. В отличие от заповедников, где деятельность человека практически полностью запрещена, на территорию национальных парков допускаются туристы, в ограниченных масштабах допускается и хозяйственная деятельность. Всего в России сейчас находится 41 национальный парк. В Татарстане расположен Национальный парк «Нижняя Кама».

Никто не может точно ответить на вопрос: на сколько лет хватит человечеству мировых запасов нефти, газа и других полезных ископаемых. Однако какими бы ни были эти цифры, существенным является то, что очень многие мировые природные ресурсы (в том числе нефть, газ, уголь) являются невосполняемыми. Но даже и восполняе-

181

мые ресурсы (лес, вода, почва и т.д.) тоже не могут эксплуатироваться бесконечно. Именно поэтому, задача сохранения и рационального использования природных ресурсов нашей планеты – одна из приоритетных в развитии современного мирового хозяйства. И как бы ни были глубоки наши самые большие озера, как бы ни были огромны наши леса и поля, всѐ это нужно беречь, сохраняя природу нашей планеты.

Подумайте и ответьте:

1.Разграничиваете ли вы такие понятия как «экологический кризис» и «экологическая катастрофа»? Какие общие и отличительные признаки этих двух явлений вы можете назвать?

2.Приведите примеры экологических кризисов и катастроф в истории Земли.

3.Назовите основные негативные проявления современного экологического кризиса. Какие, по вашему мнению, меры должны быть приняты для их устранения?

182

13. НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанотехнология – это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.

Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путѐм контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

С технической точки зрения под нанотехнологиями подразумевается следующее:

знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2 400 лет назад он впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества.

1905 г. – Немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 г. – Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 г. – Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Ос-

183

новные положения нанотехнологий были намечены в его легендар-

ной лекции Там внизу – много места (There’s Plenty of Room at the

Bottom), произнесенной в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место). Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 г.

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

1974 г. – Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехника», предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона.

1981 г. – Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп – прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

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

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

1986 г. – Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

184

1989 г. – Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 г. – Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзи-

стор.

2000 г. – Администрация США объявила «Национальную нано-

технологическую инициативу» (National Nanotechnology Initiative).

Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002 г. сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 г. «Инициатива» запросила $710 млн., а в 2004 г. правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований

вэтой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 г. составили около $12 млрд.

2004 г. – Правительство США поддержало «Национальную наномедицинскую инициативу» как часть National Nanotechnology

Initiative.

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трѐхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плѐнок; двумерные объекты – плѐнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания; одномерные объекты – вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ

вцилиндрические микропоры. Также существуют нанокомпозиты – материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы.

Табл. 13.1: Основные наноматериалы.

185

Согласно закону Мура, быстродействие компьютеров удваивается каждые 18 месяцев. Чтобы эта тенденция могла сохраняться в дальнейшем, необходимо, чтобы размеры транзисторов преодолели нанометровый рубеж.

Для эффективного манипулирования атомами Эрик Дрекслер ввел понятие ассемблера – молекулярной наномашины, способной к саморепликации, которая может построить любую молекулярную структуру. Ассемблеры будут представлять собой синтез живых и технических систем.

Пример эффективного природного ассемблера – механизм синтеза белка рибосомой.

В настоящий момент главным оборудованием нанотехнологий являются сканирующие зондовые микроскопы, наиболее популярны среди которых туннельный и атомно-силовой микроскопы. Основным элементом зондовых микроскопов является зонд (кантилевер) – сверхтонкая игла, позволяющая сканировать поверхность с атомарным разрешением.

Работа сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) основана на измерении колебаний туннельного тока, возникающего между зондом и поверхностью образца на расстоянии менее 0.5 нм. При изменении расстояния всего на 0.1 нм туннельный ток изменяется в 10

186

раз. Такие перепады позволяют с высокой точностью судить о рельефе поверхности на уровне атомов.

СТМ может работать в двух основных режимах:

а) постоянной высоты (острие иглы перемещается над образцом, а ток меняется);

б) постоянного тока (ток поддерживается постоянным за счет перемещения иглы).

Вотличие от туннельного, атомно-силовой микроскоп (АСМ) позволяет исследовать не только проводящие, но и диэлектрические вещества (в том числе и биообъекты). Работа АСМ основана на измерении сил межмолекулярного взаимодействия, возникающих между зондом и поверхностью на малых расстояниях (порядка ангстрема).

Чем выше дисперсность частицы, тем больше площадь ее контакта с окружающей средой, что значительно влияет на химические и физические свойства данного вещества.

В1985 г. Р. Керл, Г. Крото и Р. Смолли открыли третье аллотропное состояние углерода – фуллерен, обладающее удивительными свойствами, за что были удостоены Нобелевской премии. Молекула фуллерена имеет форму футбольного мяча, и состоит из правильных пяти- и шестиугольников. Свое название фуллерен получил в честь архитектора Бакминстера Фуллера, впервые придумавшего использовать подобные структуры в строительстве.

Фуллерен имеет каркасную структуру, очень напоминающую футбольный мяч, состоящий из «заплаток» пяти- и шестиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен

С60.

В молекуле С60, которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три- с пятиугольниками.

187

Структура молекулы фуллерена интересна тем, что внутри такого углеродного «мячика» образуется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ, что дает, например, возможность их безопасной транспортировки. По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены их молекулы, содержащие различное число атомов углерода – от 36 до 540.

Рис. 13.1: Структура фуллерена.

Рис. 13.2: Представители фуллеренов а) С60, b) C70, c) C90.

В 1991 г. Сумио Иидзима открыл нанотрубки – цилиндрические углеродные образования, поразившие ученых физико-химическими свойствами. Нанотрубки могут быть как проводниками тока, так и диэлектриками, обладают капиллярным эффектом и могут использоваться во многих областях науки и техники.

Рис. 13.3: Структура нанотрубки.

188