Садовский технологии (стр. 31 )

Считается, что история нанотехнологии началась в 1959 г., когда лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейнман сказал пророческую фразу: «Принципы физики, насколько я их знаю, не запрещают манипулирование отдельными атомами».

В 1981 г. Г. Бинингом и Г. Рорером, учеными из швейцарского отделения IBM, был изобретен сканирующий туннельный микроскоп — прибор, дающий возможность воздействовать на вещество на атомарном уровне. Базовой концепцией разработки нанотехнологии послужило предложение американского ученого в 1985 г. сознательного (практического)

420

манипулирования атомами и молекулами, когда каждая из них занимает в конечной структуре то место, которое ей определено человеком.

В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, в отличие от туннельного позволяющий осуществлять взаимодействие не только с электропроводящими, но и с любыми материалами. При помощи атомно-силового микроскопа стало возможным «подцепить» атом и поместить его в нужное место, т. е. манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любой объект, любое вещество.

Этим было положено начало так называемому программируемому атомному письму, явившемуся прообразом первого нано-технологического процесса собирания атомов в наноразмерные «кучки» и выстраивания этих «кучек» в соответствии с заданным рисунком (рис. 15.10).

Одиночные квантовые точки, образованные группой атомов и локализованные в заданном месте основной матрицы, могут быть собраны с образованием так называемой проволоки. Элементы проволоки, в свою очередь также сгруппированные заданным образом, образуют более сложные замкнутые молекулярные пространственные структуры — микрокластеры.

Микрокластеры — это новая фаза твердого тела с необычными химическими и физическими свойствами, среди которых главным является повышенная реакционная активность. Микрокластеры легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На основе этих структур возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Наука ближе подошла к познанию сущности многих активных процессов на молекулярном уровне и выходит на качественно иной уровень понимания свойств материального мира и использования их в интересах современной техногенной цивилизации.

421

Самый распространенный вид микрокластеров — фуллере-ны. Свое название они получили в честь архитектора Б. Фулле-ра, создавшего геодезические дома-купола из пяти - и шестиугольников.

Фуллерены — полиморфные модификации углерода со структурой, построенной из кластерных частиц. Наиболее известный из фуллеренов С60 (в индексе обозначено число атомов углерода) по форме очень похож на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. К настоящему времени обнаружена целая семья фуллеренов — от С28 до С240-

Фуллерен представляет собой полую внутри симметричную углеродную структуру, замкнутая поверхность которой образована правильными многоугольниками из атомов (рис. 15.11).

Возможность существования фуллеренов еще в начале 70-х гг. XX в. независимо друг от друга предсказали советские химики Д. Бочвар и Е. Гальперин и японский физик Е. Осава. В 1985 г. данные структуры были экспериментально обнаружены Р. Керлом, Р. Смолли (США) и Г. Крото (Великобритания). В 1996 г. за открытие фуллеренов эти исследователи получили Нобелевскую премию. Уже к 1990 г. были предложены способы получения фуллеренов в макроколичествах. Фуллерены С60, С70 и другие получают в основном в межэлектродном промежутке графитовой дуги в токе инертного газа. С этого момента начался «фуллереновый бум». Ноток открытий об их удивительных свойствах все возрастает.

Поскольку углерод является основным элементом структуры живой материи, открытие его новой формы имеет особое значение и заставляет пересмотреть представления о фундаментальных процессах, происходящих с участием углерода в живой и неживой природе. В то же время применение фуллеренов означает наступление технологической революции, результаты которой трудно предвидеть.

422

Формированием разнообразных углеродных каркасных структур нанотехнология не ограничилась. В 1991 г. были созданы длинные цилиндрические углеродные образования, получившие название нанотрубки (НТ). Визуально структуру НТ можно представить так: берется графитовая плоскость, из нее вырезается полоска и «склеивается» в цилиндр (рис. 15.12).

Такое сворачивание графитовой плоскости — это лишь способ представить себе структуру НТ; реально НТ формируются совсем по-другому. При этом до экспериментального открытия НТ никто из теоретиков их создание не предсказывал.

Для нанотрубок характерно большое многообразие форм: они могут быть большими и маленькими, однослойными и многослойными, прямыми и спиральными. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, НТ оказались материалом, на редкость прочным как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, НТ также ведут себя необычно: они не «рвутся» и не «ломаются», а просто перестраиваются. НТ демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости НТ могут быть и проводниками, и полупроводниками.

Уже сейчас широкое использование фуллеренов и нанотрубок очень перспективно. Высокая активность фуллеренов поз-

423

воляет применять их в технологических процессах, связанных с выращиванием кристаллов, проведением селективных каталитических превращений, но прежде всего — получением совершенно новых материалов с искусственно упорядоченными электронными, магнитными и оптическими свойствами (например, полимерных материалов, обладающих заданными величиной проводимости или магнитными свойствами, новых катализаторов, высокоселективных абсорбентов, классов сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектри-ков, нелинейных оптических материалов). Реальностью становится создание материалов, которые будут в 200 раз прочнее стали. Фуллерены с характерным размером кластеров около 10 ангстрем (ангстрем — единица длины, равная одной десятимиллиардной доле метра) могут быть использованы как «нано-кирпичики» для изготовления новых материалов, в том числе применяемых для сверхплотной записи информации. Пленки, полученные на основе фуллеренов, могут решить проблему очистки загрязненных поверхностей. Подавление отражения покрытой фуллереном поверхности при облучении ее лазером позволяет делать самолеты практически невидимыми для лазерных радаров. Создаются новые технологии синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости.

Одно из очевидных прямых следствий использования фуллеренов — уменьшение размеров, энергоемкости, материалоемкости самых разнообразных технических устройств и технологических процессов. Это позволит улучшить характеристики таких устройств, как лазеры, фотопленки, люминофоры, магнитные диски и компьютеры, создать экологически чистые источники тока. Самая поразительная возможность применения фуллеренов — в целенаправленном выращивании химическими методами микрочипов размеров, сопоставимых с нейронами. В перспективе это приведет к созданию карманных суперкомпьютеров, одновременно с которым увеличатся возможности исследователей, что позволяет предсказать поток новых открытий и изобретений в любых областях, в том числе и самых неожиданных.

Эндофуллерены — один из самых экзотических и замечательных классов химических соединений, созданных нанохи-мией. Они образуются в результате внедрения атомов или ионов внутрь фуллереновой сферы и «пленения» их. Однако уникальность эндофуллеренов состоит не в том, что атомы или ионы внедряются внутрь фуллереновой сферы, а в том, что их «пленение» является практически необратимым процессом, что приводит к созданию стабильных материалов с новыми уни-

424

кальными свойствами. Уже синтезировано огромное количество эндофуллеренов: Т@С60 (символ @ означает помещение атома или иона в сферу фуллерена), (3Не, 4Не)@ С60 и т. д. Получены эндофуллерены с двумя и даже тремя плененными атомами (например, Не2@С70, Lа2@(С72, С74, С82) и др.).

Эксперименты показали, что интеркаляция (т. е. внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник.

Значительным событием в нанохимии фуллеренов явилось открытие и направленный синтез ониевых («луковичных») фуллеренов, например, таких как С60@С240@С540... представляющих собой несколько сферических молекул, вложенных одна в другую (как слои шелухи на луковице) с расстоянием между поверхностями сфер >0,34 нм. Это новый класс эндофуллеренов. Внутренние сферы испытывают огромное давление внешних, и это является причиной того, что даже при слабом фото - или радиационном воздействии внутренние сферы превращаются в алмаз. Таким образом, исследователи приближаются к пониманию механизма синтеза искусственных алмазов.

В связи с очень высокой ценой фуллеренов (цена 1 г экстракта — от 40 дол. США за С60 и С70 додол. США за C84) их широкое промышленное применение в технике — вопрос не самого ближайшего будущего. Но зато весьма перспективно применение фуллеренов в медицине. Использование фуллеренов как основы лекарственных препаратов базируется на значительной химической активности молекулы фуллерена, имеющей большое число свободных связей, придающих ей способность присоединять различные радикалы, в том числе биологически активные. Главное препятствие для быстрого внедре ния фуллеренов в медицинскую практику — нерастворимость молекул фуллеренов в воде, затрудняющая их введение в живой организм. Самая сенсационная возможность использования фуллеренов в медицине — лечение вирусных заболева ний, вызываемых ВИЧ-инфекцией. Сегодня ведущей причиной смертности стал атеросклероз. Большое развитие получило его лечение методом гемосорбции. Поэтому разработка средств для гемосорбции — плазмосорбентов на основе фуллеренов стала одним из главных достижений экспериментальной медицины.

Потенциальные области применения нанотрубок также обширны. Малые размеры и уникальная структура НТ определяют их необычные механические и электронные свойства, при-

425

чем последние можно целенаправленно изменять в широком диапазоне. В отличие от графита ЫТ химически инертны. Высокая жесткость НТ сочетается с упругостью и способностью обратимо вспучиваться (коробиться) и складываться (сжиматься, сплющиваться).

Области применения НТ можно условно разделить на две группы — в сравнительно массивных изделях и деталях (работает множество НТ) и в миниатюрных изделиях и устройствах (работают индивидуальные НТ). В первом случае это наполнители для различных композитов (легких, прочных, при необходимости электропроводных и поглощающих энергию удара), материалы для химических источников тока и аккумуляторы газов, во втором — электронные приборы и устройства, включая сверхмалые и сверхбыстрые компьютеры, катоды полевых эмиттеров электронов, а также неразрушающиеся нанозонды в сканирующих микроскопах, высокочастотные резонаторы, на-нопипетки, предназначенные для введения в клетки живых организмов с целью изучения их химической природы.

Для реализации нанотехнологии в промышленных масштабах необходимо иметь несколько базовых устройств.

Первым таким устройством является посредник, размером сравнимый с атомами. Он называется сборщиком, или ассемблером. Сборщик способен по заранее заданной программе перемещать отдельные атомы или молекулы, обеспечивать химические связи между ними и поддерживать стабильность незавершенных структур до окончания сборки. Для выполнения этих операций он снабжен манипуляторами, набором механических устройств, их перемещающих, а также источником энергии. Сборщик состоит примерно из миллиона атомов, т. е. его размер — приблизительно 150 нанометров. Он способен работать по крайней мере с миллионом атомов в секунду, что близко к производительности биологических систем. Для того, чтобы сборщик знал, какую молекулу надо ловить манипулятором и куда ее помещать, у него есть второе базовое устройство — нанокомпъютер. Третьим базовым устройством нанотехнологии является разборщик. Он послойно разбирает или изучает объект, записывает в память нанокомпьютера информацию о нем, подготавливая к работе четвертое базовое устройство — созидателя, или репликатора. Последний осуществляет сборку других сборщиков, а также себе подобных созидателей, т. е. занимается размножением.

Таким образом, в развитии нанотехнологии имеется несколько направлений, на которых в настоящее время сосредоточено внимание исследователей:

426

•  разработка технологии молекулярного синтеза пространственных структур с заданными свойствами; при такой «сборке» материалов из отдельных атомов и молекул почти не остается отходов, сырья же расходуется значительно меньше;

•  создание многоторрабитных (1012 бит информации) устройств памяти;

•  увеличение скорости работы компьютеров, эффективности транзисторов и емкости устройств памяти в миллион раз;

•  разработка систем доставки генов и лекарственных препаратов к канцерогенным клеткам, нанотехнологических контрастных агентов для томографии и прицельного воздействия на человеческие органы;

•  удаление мельчайших загрязнений из воды и воздуха и обеспечение чистоты среды обитания человека;

•  создание нанотехнологических установок с управляемой рабочей средой для исследовательских и промышленных целей;

•  создание микрореакторов для самосборки и самоорганизации систем;

•  разработка молекулярной технологии для нанооптики, обеспечивающей создание малогабаритных излучателей с перестраиваемым спектром, высокоэффективных индикаторов, цветовых экранов, динамических голографических устройств, датчиков излучения и другого специального оборудования;

•  создание микро - и нанороботов;

•  разработка молекулярной технологии для нанобиологии, позволяющей выполнять операции на клеточно-мембранном уровне, на отдельных генах, создавать биосенсоры и другие системы;

•  создание молекулярной технологии для построения высокоэффективных топливных элементов, преобразователей солнечной энергии и термопреобразователей.

Контрольные вопросы

1.  Какие основные компоненты входят в состав любого композитного материала? Какие функции выполняет матрица? Какие функции выполняет арматура?

2.  Какие технологические методы используют при производстве полимерных композитных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

3. Какие методы используют при производстве металлических
композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

4. Какие методы используют при производстве керамических ком
позиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

427

5.  Какие методы используют при производстве углерод-углеродных композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

6.  Назовите сферы использования основных композитных материалов.

7.  Какие основные стадии включает в себя технологический процесс изготовления изделий методом порошковой металлургии? Охарактеризуйте важнейшие из них.

8.  Каково основное достоинство изделий, полученных методом порошковой металлургии? В каких сферах наиболее перспективно использование изделий, полученных данным методом?

9.  В чем заключается сущность электрических методов обработки изделий?

10.  В чем заключается сущность технологии электроэрозионной обработки деталей?

11.  Перечислите и кратко охарактеризуйте важнейшие процессы электрохимической обработки.

12.  В чем заключаются достоинства и недостатки электрохимических и электрофизических методов обработки?

13.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной термообработки?

14.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной сварки?

15.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной размерной обработки?

16.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки измерительной лазерной технологии?

17.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерного легирования?

18.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной наплавки?

19.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной резки?

20.  В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки ультразвуковой технологии?

21.  Назовите и охарактеризуйте основные сферы использования ультразвуковых колебаний в технологии.

22.  Перечислите и охарактеризуйте основные процессы радиаци-онно-химической технологии.

23.  В чем заключается сущность мембранной технологии? Чем она принципиально отличается от фильтрации? Каковы ее достоинства и недостатки?

24.  Какие основные виды мембранных процессов вам известны? Охарактеризуйте их.

25.  В чем заключаются сущность, преимущества и недостатки ра-диационно-химической технологии?

26. В чем заключается сущность плазменной технологии?
Назовите и охарактеризуйте сферы ее применения.

428

27.  Каковы достоинств» и недостатки плазменной технологии? Какие причины препятствуют ее широкому внедрению?

28.  Охарактеризуйте важнейшие направления современной биотехнологии.

29.  Что представляет собой промышленная микробиология? По каким направлениям она развивается?

30.  Что представляе-1 собой генетическая инженерия? По каким направлениям она развивается?

31.  Что представляет гобой клеточная инженерия? По каким направлениям она развивается?

32.  Что представляет собой инженерная энзимология?

33.  Охарактеризуйте нанотехиологию. Назовите ее достоинства и недостатки.

ЛИТЕРАТУРА

Общая

Национальная экономика Беларуси: Потенциалы. Хозяйственные комплексы. Направления развития. Механизмы управления: учеб. пособие / [и др.]; под общ. ред. . — Минск: БГЭУ, 2005.

Основы отраслевых технологий и организации производства: учебник / под ред . — СПб.: Политехника, 2004.

Основы технологии важнейших отраслей промышленности: учеб. пособие: в 2 ч. / под ред. . — Минск: Вы-шэйш. шк., 1989.

Производственные технологии: учеб. пособие / [и др.]; под общ. ред. . — Минск: Дизайн ПРО, 2002.

К разделу «Теоретические основы производственных технологий»

Кохно, Н. П. Общая экономическая теория технологического развития производства / . — Минск: БГЭУ, 2003.

Поликарпов, B.C. История науки и техники: учеб. пособие для вузов / B. C. Поликарпов. — Ростов н/Д.: Феникс, 1999.

Производственные технологии. Общие основы: учеб.-практ. пособие: в 2 ч. / [и др.]. — 4.1. — Минск: БГЭУ, 2003.

К разделу «Практические основы производственных технологий»

Жолик, ГЛ. Технология переработки растительного сырья: учеб. пособие для вузов: в 2 ч. / . — Горки: БГСХА, 2004.

430

Кутепов, А. М. Общая химическая технология: учебник для вузов по спец. хим.-технологич. профиля / A. M. Кутепов. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.

Производственные технологии. Основы технологии производства продукции химического комплекса / . — Минск: Равноденствие, 2005.

Никифоров, В. М. Технология металлов и других конструкционных материалов: учебник для техникумов / . — СПб.: Политехника, 2003.

Соколовский, Р. С. Химическая технология: учеб. пособие для студентов вузов: в 2 т. / . — М.: Гуманитарный изд. центр ВЛАДОС, 2003.

Сулименко, Л. М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: учебник для строит, и хим.-технологич. снец. вузов / . — М.: Высш. шк., 2005.

Теличенко, В. И. Технология строительных процессов: учебник для вузов по спец. «Пром. и гражд. строительство»: в 2 ч. / . — М.: Высш. шк., 2005.

Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроит. вузов / под общ. ред. A. M. Дальско-го. — М.: Машиностроение, 2005.

Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов: учеб. пособие / под ред. . — М.: Агропромиз-дат, 1991.

К разделу «Научные основы производственных технологий»

Производственные технологии. Общие основы: учеб.-практ. пособие: в 2 ч./ [и др.]. — 4.2. — Минск: БГЭУ, 2005.

Производственные технологии: учеб. пособие для подготовки к экзаменам /, , . — Минск: Книжный Дом; Мисанта, 2006.

О создании и использовании передовых производственных технологий в 2003 году. — Минск: М-во статистики и анализа Респ. Беларусь, 2004.

431