Нанотехнологии

 
 

1. Ведение

 

Нанотехнологии - это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие 

экономические державы тратят сегодня миллиарды  долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию  в манипулировании материей, какую  в ХХ произвели компьютеры в манипулировании  информацией", а их развитие изменит  жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или  электричества. 

Словари доходчиво  объясняют: «Нанотехнология — область  прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и  разработкой устройств размеров порядка нанометра». А нанометр –  это всего лишь миллиметр, поделенный на миллион. 

Писатель-фантаст  и ученый Эрик Дрекслер, перу которого принадлежит фундаментальный труд «Машины созидания», считается пионером нанотехнологий. В этой своей работе он упоминает проблему так называемых “мимов” – воспроизводящихся мысленных структур, или идей, подверженных, подобно живым существам, законам эволюции, а именно: борьбе за существование и стремлению к размножению. 

Дрекслеру принадлежит  следующее утверждение: «примеры мимов – это идеи, общеупотребительные выражения, мода в одежде, мелодии, способы производства горшков и постройки арок. Точно так же, как гены размножаются в среде генов, перескакивая от тела к телу (от поколения к поколению) через сперматозоиды и яйцеклетки, мимы размножаются в среде мимов, перескакивая из мозга в мозг посредством процесса, который в широком смысле может называться имитацией.  

Мимы копируются, потому что люди учатся и учат других. Они изменяются, потому что люди создают новые идеи и неправильно  истолковывают старые. Они подвергаются отбору (отчасти), потому что люди не верят или повторяют все, что 

слышат. Так  же как особи одного вида конкурируют  за ограниченные пространство и ресурсы, так и мимы должны конкурировать за ограниченный ресурс - человеческое внимание и усилия». Поскольку мимы формируют поведение, их успех или неудача - это жизненно важный вопрос. 

Нанотехнология  призвана сверхточно манипулировать индивидуальными  атомами и молекулами. Она изменит  наш мир больше, чем мы можем  себе представить. Наномашины должны уметь захватывать атомы или молекулы и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии с заданным алгоритмом. Важно отметить, что такие машины уже тысячи лет превосходно функционируют в природе, и примером их работы может служить механизм синтеза белка рибосомами. 

Генные инженеры, сегодня, пытаются построить первые экспериментальные искусственные наномашины, используя биологический природный материал: аминокислоты, белки, молекулы ДНК и др. Однако, биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) - это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разрушаются при повышенных температурах и давлениях (происходит сворачивание белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твердый материал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. 

В то же время  без биоподобных структур очень  трудно манипулировать отдельными атомами  и молекулами. Поэтому наномашины-ассемблеры должны представлять собой синтез живых  и технических систем. Дрекслер дает ассемблеру следующее определение: «Ассемблер – это молекулярная машина, способная к саморепликации (размножению), которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков». Главная задача ассемблера - соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д. Репликатор – это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергнуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплицируется (размножается путём создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.  

Таким образом, создав один единственный универсальный  ассемблер, способный создавать  копию себя, мы через несколько  часов получим целую армию  этих крошек, которые в буквальном смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров  является сложность их первоначального  конструирования. Тем не менее, лаборатории  всех мировых держав борются за право  быть первыми в этом революционном  прорыве.

 

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: от «проживающих» в организме  нанокомпьютеров, убивающих раковые  клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до автомобильных  двигателей, не загрязняющих окружающую среду. 
 

Краткая история нанотехнологии

Отцом нанотехнологии можно  считать  греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

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

1959 год. Американский физик  Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок".

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

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

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

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

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год "Инициатива" запрашивает $710 млн.

Нанокомпозит  оксида алюминия и полимера оказался прочен, как металл, но при этом значительно  легче. Ученые включили крошечные пластинки  оксида алюминия в полимер для  получения легкого, эластичного  и прочного материала. Результатом  его применения могут стать долговечные  протезы костей и зубов, легкие почти  не изнашивающиеся детали автомобилей  и самолетов, эластичные и прозрачные печатные платы и электронные  элементы.

Пытаясь создать  такой материал, ученые старались  скопировать наноструктуры, наблюдаемые  в природе. Раковины, кости, зубная эмаль  – все эти материалы состоят  из прочных микропластинок, находящихся  в полимерной матрице, как кирпичи  в растворе. Такая структура позволяет  соединить гибкость полимера с прочностью керамики.

Исследователи из Мичиганского университета работали с керамополимерами, которые были исключительно прочны, но хрупки и  ломались при деформации. По словам профессора Швейцарского технологического университета в Цюрихе Людвига Гуаукера, ведущего работу над полимерами с оксидом алюминия, их материал впятеро прочней разработанного мичиганской группой, и при этом более эластичен. Пленка композита прочна как алюминевая фольга, однако может растянуться на 25%, тогда как фольга рвется при растяжении на 2%.

Другим преимуществом  нового материала является его вес. Материал вчетверо легче стали той  же прочности. Он может стать заменой  стекловолокну, используемому в  автомобилестроении. Материал будет  прочен не в одном измерении, как  материалы на основе волокна, а во всех, в силу его структуры –  распределенных в полимере микропластинок. Кроме того, новый материал полупрозрачен, что позволяет применить его  в электронике. Из материала со сходными свойствами сделана упоминавшаяся  нами трубка нового поколения.

Для производства материала исследователи насыщают микропластинками этанол, который затем  вливают в воду. Пластинки образуют слой на поверхности воды. Затем  этот слой переносится на поверхность  опускаемого в раствор стекла. Затем на него наносится слой полимера. Операция повторяется, пока толщина  материала не достигает десятых  долей миллиметра, и затем он снимается  со стекла.

При разработке материала ученым помогло изучение механической структуры перламутра. В перламутре находятся пластинки, состоящие из карбоната кальция, располагающиеся слоями в белковом полимере.

Термин «металополимер»  был впервые введен в обращение  советским ученым Э.М. Натансоном, который  получил первые подобные материалы  в ходе химических опытов. В электролизную  ванну вливались две несмешивающиеся  жидкости. Вверху — коллоидный раствор  полимера, внизу — соль металла. На электроды подавался ток. Из нижнего  слоя начали выделяться химически очень  активные частицы чистого металла. Катод-диск, вращаясь, переносил их в верхний слой, где произошла  реакция между полимером и  поверхностью частиц. Каждая крупинка металла облепилась молекулами полимера.  
 

Нанохимия и наноматериалы 
 

Сегодня ученые умеют получать наноструктуры практически  всех химических элементов, что дает огромную свободу для исследований. В последнее время стало известно, что наночастицы серебра гораздо  лучше убивают бактерии, чем серебро  в компактном состоянии, что делает их полезными для очистки воды и борьбы с инфекциями. На сегодняшний  день наночастицы являются наиболее изученной областью нанохимии. 

Свойства  наносистем настолько отличаются от свойств макроскопических количеств  тех же веществ, что их изучает  особое научное направление под  названием физикохимия наносистем или нанохимия. 

Активно развиваясь в последние десятилетия, нанохимия  занимается изучением свойств различных  наноструктур, а также разработкой  новых способов их получения, изучения и модификации.  

Одна из приоритетных задач нанохимии - установление связи между размером наночастицы и ее свойствами. 

Для промышленного  получения наночастиц существует много  способов: биохимический, радиационно-химический, фотохимический, электровзрывной, микроэмульсионный, детонационный, лазерная абляция в жидкости, конденсация, вакуумное испарение, ионная имплантация и др. 

Поскольку нанохимия  – наука сравнительно молодая, пока нет ни единой терминологии, ни классификации того, что она изучает. Более того: можно сказать, что классификаций столько же, сколько ученых. Относительно общепризнанным считается, что нанохимия исследует получение и свойства различных наносистем. Под наносистемой здесь понимается взвесь наночастиц размером не более 100 нм в некоторой среде. При этом сами наночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще более мелких единиц – кластеров – минимальных строительных «кирпичиков» вещества. Размер кластера не превышает 10 нм. Именно на уровне кластеров активно проявляются всевозможные квантовые эффекты. 

Нанотрубка  – это полая внутри молекула, состоящая из порядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой однослойную  трубку диаметром около нанометра  и длиной в несколько десятков микрон. На ее поверхности атомы  углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. 

Удивительные  свойства нанотрубок помогают им накапливать  и хранить водород – экологичное  топливо автомобилей будущего. Для  выработки электроэнергии в двигателях на топливных ячейках используется реакция водорода (H2) и кислорода (O2). При этом выхлоп автомобиля состоит  из водяного пара (H2O). Раньше производители  не могли и помыслить о таких  автомобилях, потому что водород  – самый легкий в мире газ, и  несколько килограмм водорода –  это уже огромный баллон. Автолюбители не стали бы таскать с собой гигантский пузырь и надувать его на бензоколонках. Но нанотрубки с наночастицами палладия могут компактно хранить водород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают автомобили более мощными, дешевыми и экологичными.