Нанотехнологии

Группе ученых из Австралийского национального  университета Канберра на основе углеродных нанотрубок удалось создать еще одну новую форму углерода — нанопену. В процессе нагрева углеродной мишени мощным лазерным пучком с амплитудой 10 тыс. импульсов в секунду при температуре около 1000°С был получен новый материал в виде мельчайшей сетки (пены), состоящей из нанотрубок.

Полученный  материал обладает магнитными свойствами, хотя сам углерод таковых свойств не имеет. Это достоинство нанопены, по мнению австралийских ученых, наряду с Высокой поглощающей способностью к инфракрасному излучению (нагреву), может сыграть важнейшую роль в медицине при обнаружении и уничтожении различных опухолей.

С одной  стороны, трубки рассматриваются как  сосуд, в котором можно хранить  вещества, не пользуясь «обычными» емкостями с толстыми стенками или оболочками для хранения агрессивных сред. С другой стороны, хранящиеся в них элементы модифицируют свойства самих трубок, позволяя создавать разнообразные гетероструктуры на их основе.

Появляется  возможность создавать новые  сверхпрочные композиционные конструкционные материалы, не изменяя химический состав компонентов, а регулируя размеры и формы частиц, составляющих вещество.

Первые  же исследования показали, что нанотрубки обладают уникальными механическими свойствами. Многослойная углеродная нанотрубка является великолепным цилиндрическим подшипником. Если внутреннюю часть оставить неподвижной, а внешнюю заставить вращаться, можно получить почти идеальный подшипник скольжения, в котором поверхность скольжения атомно-гладкая, а силы взаимодействия между поверхностями (силы Ван-дер-Ваальса) очень слабые. Следовательно, открывается возможность создать миниатюрные наноподшипники с пренебрежимо малыми силами трения, необходимые для наносистемной техники будущего (нанодрелей, наностанков и др.).

Другое  уникальное свойство наноструктур —  квантовые эффекты и (в связи с этим) необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

Графен — развернутая в двухмерный лист нанотрубка. Этот наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Новый материал назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток. Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена он характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой на-ноэлектронных устройств. Этот монослой атомов углерода получен в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

Графен обладает высокой прочностью, он прозрачен в силу своей чрезвычайно  малой толщины. Кроме того, графен является прекрасным проводником электрического тока, что делает его очень привлекательными для использования в качестве прозрачных электродов солнечных батарей  или сенсорных дисплеев. Благодаря  своим свойствам, графен считается  следующим поколением материалов, которые  найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить  их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Нанокластеры. К множеству нанообъектов относятся сверхмалые частицы, состоящие от десятков до тысяч атомов. Свойства кластеров кардинально отличаются от свойств макроскопических объемов материалов того же состава. Из нанокластеров, как из крупных строительных блоков, можно целенаправленно конструировать новые материалы с заранее заданными свойствами и использовать их в каталитических реакциях, для разделения газовых смесей и хранения газов. Большой интерес представляют магнитные кластеры, состоящие из атомов переходных металлов, лантиноидов, актиноидов. Эти кластеры обладают собственным магнитным моментом, что позволяет управлять их свойствами с помощью внешнего магнитного поля. Наномагниты представляют интерес при проектировании процессоров для квантовых компьютеров. Кроме того, при исследовании этой квантовой системы обнаружены явления бистабильности и гистерезиса. Если учесть, что расстояние между молекулами составляет около 10 нанометров, то плотность памяти в такой системе может быть порядка 10 гигабайт на квадратный сантиметр.

3 Структурные особенности наноматериалов

Структурные особенности наноматериалов, обусловливающие их уникальные свойства, можно также проиллюстрировать на примере катализаторов. Кроме того, было показано, что если кластер состоит из 54 атомов, он имеет на поверхности 24 атома (30 – заблокированы), которые в качестве каталитически-активных центров доступны молекулам субстрата. Если представить, что эти 54 атома перегруппированы в три отдельные частицы (по 18 атомов в каждой), то общее количество каталитически-активных центров составит 36 (сумма заблокированных атомов – 18). Кроме того, из термодинамики малых частиц известно, что поверхностные атомы частиц с большей кривизной поверхности обладают более высокой потенциальной энергией. Таким образом, одно и тоже количество активного металла в составе катализатора во втором случае будет вовлечено в катализ в большей степени, и, значит, катализатор получится более дешевым (это особенно важно, если речь идет о благородных металлах), и его удельная активность (на единицу активного металла) будет выше, чем в первом случае. Отношение количеств активных и блокированных («объемных») атомов меняется при такой гипотетической манипуляции на обратное (24/30 и 36/18).

Следует также отметить, что нередко  более активный катализатор или  катализатор с более высокодисперсным распределением активного металла  начинает работать при более низких температурах. Возможность получения  более тонких каталитических пленок из металлов также дают большой выигрыш в расходе материалов без потерь, а, иногда, и с выигрышем в активности. Дизайн наноструктур с целью создания принципиально новых функциональных материалов требует исследований взаимосвязи строения на наноуровне и свойств, а также разработки методов контролируемого синтеза супрамолекулярных архитектур.

Так, установлено, что при переходе от массивного к нанодисперсному  состоянию происходит изменение  энергии вещества. Чем меньше размер частицы, тем выше доля поверхностных атомов или молекул в общем количестве (рисунок 6 а-в). Поэтому при определении термодинамических характеристик массивного вещества его поверхностной энергией пренебрегают. На примере сферических частиц золота было показано, что при уменьшении диаметра частиц с 1.8 нм до 1 нм доля поверхностных атомов увеличивается с 0.63 до 0.88, при этом внутренняя энергия нанодисперсного золота возрастает с  50 до 86 тыс. Дж/ моль. Когда агрегат содержит только поверхностные атомы или молекулы (рисунок 6 в), эта величина возрастает до 114 тыс. Дж/ моль.

                                            а                                     б                          в

Рисунок 6 – Частицы золота

4 Области практического использования наноматериалов

Особенность нанотехнологии заключается в том, что рассматриваемые процессы и  совершаемые действия происходят в  нанометровом диапазоне пространственных размеров. "Сырьем" являются отдельные  атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен "индивидуальный" подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как "бездефектные" материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами.

Анализ  текущего состояния бурно развивающейся  области позволяет выделить в  ней ряд важнейших направлений.

Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

Материаловедение. Создание "бездефектных" высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.

Приборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами.

Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.

Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального "ремонта" органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.

Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.

Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.

Развитие нанонауки и нанотехнологии придает импульс в развитии других дисциплин: медицины, биотехнологии, химии, защиты окружающей среды, материаловедении (металлы, полимеры, керамика). Появилась возможность, манипулируя атомами, управлять свойствами материалов, придавая им специфические свойства. Кроме фундаментальных исследований существует множество прикладных направлений: композиты на основе полимеров, керамика, углеродные нанотрубки, кремниевые нановолокна для электроники, лекарственные препараты с запрограммированным целенаправленным действием, наночастицы для улавливания следовых количеств примесей в воде и многие др. Следует также отметить, что химические нанотехнологии являются малоотходными, и это делает их особенно ценными в современных условиях.

Охват различных сторон нашей жизни, множество отраслей экономики, развивающихся благодаря открытиям нанонауки и достижениям нанотехнологий, уже сегодня впечатляет. Это электронная, косметическая, текстильная промышленность, фармацевтика, защита окружающей среды. Нанотехнологические разработки используют для получения нелиняющих красителей, прозрачных солнцезащитных покрытий на основе оксида цинка, устойчивых к царапинам автомобильных красок, полупроводников повышенной мощности, при создании «чистых» источников энергии, недорогих высокоактивных катализаторов, топливных элементов, в процессах газификации угля, в производстве материалов для протезирования (имплантанты на основе нанокристаллического гидроксиапатита - аналога костной ткани) и др.

Весь круг проблем делится специалистами  на три категории по тем срокам, которые необходимы для получения  ощутимых результатов.

Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием  металлов на порядок меньше, чем  в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы.

Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды.

Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.

Энергетика и оптика. В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов.  Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. В 2003 г. ученым удалость создать устройство, в котором оптический сигнал делился на 16 равноценных сигналов. В 2006 г. с помощью системы зеркал с размерами, близкими к нанометровым, удалость расщепить сигнал на несколько тысяч равноценных сигналов. Фотонные кристаллы, называемые световыми ловушками, способны осуществлять контроль световых потоков, выделять световые потоки по длине волны благодаря своей трехмерной структуре. Эти структуры представляют сегодня большой интерес. Используемая в настоящее время электрическая лампочка отдает в виде света только 3 - 4% энергии, подведенной к ней, остальная часть почти полностью теряется в виде тепловой энергии в окружающей среде. Используя оптические микросхемы на основе периодических структур, удалось добиться 28%-ной отдачи энергии в виде света. В настоящее время это – мировой рекорд. На ближайшие 20 лет запланировано доведение отдачи энергии в виде света до 70%  с помощью разрабатываемых ныне диодов световой эмиссии, которые должны потеснить привычные для нас лампочки накаливания. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект.

Медицина. Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, где происходит пролонгированное выделение препарата. Так, французские ученые уже несколько лет ведут работы по созданию нанокапсул, размер которых в 70 раз меньших, чем красные кровяные тельца. С током крови эти нанокапсулы способны переносить лекарственные препараты для борьбы, например, с тромбоэмболией. При использовании специфичных для данного типа частиц лигандов наночастицы будут способны атаковать непосредственно мишень, которой являются патогенная клетка или их скопление. Так, с нанесенным на поверхность протеином плазмы нанообъект может быть специфически «узнаваем» макрофагами печени или селезенки. Разрабатываемый метод «лаборатория в чипе» может быть использован для контроля за состоянием больных диабетом.