Виды искусственных наноструктур

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      Мы  все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные  материалы и объекты. Отчасти  они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической  политики в развитых странах . Так, в  США действует программа “Национальная  нанотехнологическая инициатива” (в 2001 г. ее бюджет был 485 млн долл., что сопоставимо с годовым бюджетом всей Российской академии наук). Евросоюз недавно принял шестую рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой “нано-”. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Да, собственно, она уже началась и взрывообразно захватывает все новые и новые области. В журнале “Природа” были опубликованы статьи, посвященные отдельным направлениям нанонауки ; теперь постараемся бросить взгляд на нее как на единое целое.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Углубляясь  в наноджунгли

      Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка “нано-”  происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть  чего-либо. Таким образом, чисто формально  в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль  одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых  объектов гораздо шире - от отдельных  атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов  и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры  гораздо более 1 мкм в одном  или двух измерениях. Принципиально  важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в  них уже в значительной степени  проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые  закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним  козырем. В силу действия различных  причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением  размеров падает и характерное время  протекания разнообразных процессов  в системе, т.е. возрастает ее потенциальное  быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно  уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических  пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.  

 
 
 
 

Виды  искусственных наноструктур

Самым простым  наноматериалом могут служить фрагменты  вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные каким-то другим физическим или химическим способом. Хотя бы в одном измерении они  должны иметь протяженность не более 100 нм и проявлять качественно  новые свойства (физико-химические, функциональные, эксплуатационные и  др.)

Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо  шире - от отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до органических молекул, содержащих свыше 10⁹ атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что в них уже в значительной степени проявляется дискретная атомно-молекулярная структура вещества и квантовые эффекты.

Наноструктуры обладают сочетанием ряда параметров и физических явлений, несвойственных традиционным состояниям материалов. Уменьшение размера кристаллов может  приводить к существенному изменению  свойств материалов. Установлено, что  эти изменения проявляются, когда  средний размер кристаллических  зерен не превышает 100 нм, а наиболее эффективны при размере зерен  менее 10 нм. При этом частицы могут  иметь сферическую (равноразмерную) форму, быть вытянутыми в виде нанопроволоки  или нановолокна или представлять собой наночешуйки (пластинки). Главное, чтобы одно из измерений не превышало 100 нм. 

 Наноразмерные  частицы кремния диаметром 14-50 нм

   Нановолокна  ПТФЭ  диаметром40-60 нм 
 
 

Еще одной формой наночастиц могут быть слоистые наночешуйки  толщиной до 100 нм. представлены наночастицы  монтмориллонита (глинистого минерала подкласса слоистых силикатов), модифицированного  фторуглеродными соединениями со слоистым строением, которые применяются  в качестве добавок к жидким полимерным системам, например, для создания препаратов автохимии.

Наноразмерные слоистые частицы монтмориллонита, модифицированного фторуглеродными  соединениями 

Одним из главных  химических элементов, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные  формы. До недавнего времени было известно, что углерод образует четыре аллотропных формы - алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдеилит (впервые найден в метеоритах, затем  получен искусственно). При этом уже на этапе перехода углерода от обыкновенного угля до графита отмечаются значительные изменения свойств  материала.

В 1985 году Р. Керл, Г. Крото и Р. Смоли совершенно неожиданно открыли принципиально  новое углеродное соединение -фуллерен (многоатомные молекулы углерода С_n), уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. 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 (молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией, несвойственной неорганическим соединениям в природе, поэтому признано, что молекула фуллерена является органической молекулой).

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. Каждый атом углерода в молекуле С₆₀ находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки - 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀- 0,357 нм.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. 

Представители фуллеренов: С₆₀, C₇₀, и C₉₀

Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут  также образовываться протяженные  цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием физико-химических свойств.Идеальная углеродная нанотрубка- это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой цилиндр, полученный при сворачивании графеновой плоскости, диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. 

Структура нанотрубки 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Прикладная  нанотехнология

Наноэлектроника.

Невероятные перспективы  открываются в области электроники. Ученые создают микрочипы, которые  вмещают в себя намного больше информации, чем кремниевые чипы. Это  способствует развитию информационных технологий в будущем. К тому же планируется  создание нанороботов, то есть роботов, размером с молекулой, обладающими функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Строительство.

Одна из отраслей промышленности, где  нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, - это строительство. Естественно, что основные разработки в этой области  должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых  строительных материалов, а также  улучшение уже имеющихся. Так, российские ученые из Санкт-Петербурга создали  нанобетон. Специальные добавки - так  называемые значительно улучшают его  механические свойства. Предел прочности  нанобетона в 1,5 раза выше прочности  обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин - в три раза ниже. 

Медицина  и экология.

      Встающие  перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных действий. В решении многих из них  нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так например ученые пытаются создать специальные наноботы или  микророботы-“доктора”, которые будут  сочетать функции диагноста, терапевта  и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе  человека, и при этом не нанося вреда  организму, уничтожать микроорганизмы, вирусы и раковые клетки. Также  они доставляют нужные лекарства  именно в нужное место, не воздействуя  на остальные части организма  и не отторгаются его защитными  системами. Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие, за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. 
 

      Нанотехнологии  способны также стабилизировать  экологическую обстановку. Во-первых, за счет насыщения молекулярными  роботами-санитарами, превращающими  отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства  на безотходные нанотехнологические  методы.

Военные нанотехнологии.

В военной индустрии  нанотехнологиям уделяют огромное внимание. Так, например, министерство обороны США, финансирует программу  создания  умной пыли. Т.е. большого семейства микророботов, размером в  пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать  во все щели, каналы связи, создавать  свою сеть, собирать и передавать оперативную  информацию.

Австралийские ученые предложили изготавливать бронижилеты  из материалов на основе углеродных нанотрубок. Они обладают пулеотталкивающим  свойством – под воздействием пули тоненькие трубки прогибаются, а затем восстанавливают форму  с отдачей энергии.

 
 
 
 
 
 

Российская корпорация нанотехнологий (РОСНАНО) — российская государственная корпорация, созданная для развития нанотехнологий. 
 

_Выводы

 

1. Нанотехнологии- символ будущего, важнейшая отрасль,  без которой немыслимо дальнейшее  развитие цивилизации.

2. Возможности  использования нанотехнологий практически  неисчерпаемы - начиная от микроскопических  компьютеров, убивающих раковые  клетки, и заканчивая автомобильными  двигателями, не загрязняющими  окружающую среду.

3. Нанотехнологии  на сегодняшний день находятся  в младенческом возрасте, тая  в себе огромный потенциал.  В дальнейшем ученым предстоит  решить множество вопросов, связанных  с нанонаукой, и постигнуть ее  глубочайшие тайны. Но, несмотря  на это, нанотехнологии уже  оказывают очень серьезное влияние  на жизнь современного человека.

4. Большие перспективы  несут в себе и большие опасности.  В этом отношении человек должен  с максимальной осторожностью  отнестись к небывалым возможностям  нанотехнологий, направляя свои  исследования на мирные цели. В противном случае он может  подставить под удар свое собственное  существование. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

_{Литература}

 

1. Балабанов,  В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. /В.И. Балабанов. - М.:Эксмо, 2008. - 256 с.

2. Рыбалкина,  М. Нанотехнологии для всех. /М.  Рыбалкина. - М.:NanotechnologyNewsNetwork, 2006. - 444 с.

3. Альтман, Ю.  Военные нанотехнологии. /Ю. Альтман. - М.:Техносфера, 2006. - 416 с.