Нанонаука и нанотехнологии

Нанонаука и нанотехнологии

Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узкопрофессиональные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, века пара и электричества, атомной энергии и компьютеров.

В настоящее время развиваются и совершенствуются буквально все существующие технологии, например технологии производства металла и пластмасс, автомобилей, самолетов, космических кораблей, электронной техники, сельскохозяйственного производства, переработки производственных и бытовых отходов, очистки сточных вод и выбросов в атмосферу и т. п.

Однако можно выделить ряд технологий, которые в первую очередь изменяют технологическое лицо нашего мира. В настоящее время всеобщее внимание приковано к нанотехнологиям, которые сулят радикальное изменение в жизни человеческого общества.

Слово «нано» означает одну миллиардную часть какой-то величины. Нанометр - одна миллиардная часть метра, наноампер - одна миллиардная часть ампера.

Нанотехнологии позволяют создавать и оперировать с объектами, имеющие размеры в диапазоне от долей до сотен нанометров. Отметим, что атом имеет размер около одной десятой нанометра.

По мнению многих экспертов XXI век будет веком нанонауки (науки о свойствах вещества в нанометровом масштабе размеров) и нанотехнологий.

Термин «нанотехнологии» ввел в 1974 г. японский физик Норё Танигучи для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляции с отдельными атомами.

Нанонауку можно определить как совокупность знаний об особенностях поведения вещества в нанометровом масштабе размеров, а нанотехнологию как совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярных уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой.

Нанотехнологии – междисциплинарная технологическая область в биологии, биоинженерии, рациональном природопользовании и медицине, в электронике, оптике, энергетике, машиностроении – оперируют процессами сборки и самосборки структур пониженной размерности на атомарном и кластерном[*] уровнях, которые позволяют придать органическим и неорганическим материалами уникальные физико-химические, механические и электрические свойства, повысить их ресурс.

Эти технологии обеспечивают возможность управляемого и контролируемого создания и модификации объектов с размерами менее 10-9м с целью достижения принципиально новых качеств и их интеграцию в системы, в том числе большого масштаба.

Наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе нанотехнологий и наноматериалов функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям на основе использования микро и макро объемов веществ.

Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 Нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплутационными характеристиками, обусловленными эффектами масштабирования. Суть нанотехнологии не в размере объекта, а в способе его получения из отдельных атомов.

Первые технические средства в этой области были изобретены в швейцарских лабораториях IBM. Огромную роль сыграли:

1.  Создание сканирующего туннельного микроскопа и сканирующего атомно-силового микроскопа (Нобелевская премия 1992 года), что позволило не только рассматривать отдельные атомы в кристалле, но двигать и переставлять их нужном порядке;

2.  Открытие новой формы существования углерода в природе-фуллеренов (Нобелевская премия 1996 года), что дало возможность создавать трехмерные структуры из атомов углерода с уникальными свойствами.

На рис.1 из работы [1] приведены «горизонтальный» и «вертикальный» способы манипулирования и перемещения атомов по поверхности с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа.

Поатомная сборка принципиально изменяет парадигму создания изделий. Если до сих пор изделия создавались из заготовок путем удаления ненужных частей, которые шли в отходы, то нанотехнологии позволяют получать изделия из отдельных атомов без отходов и загрязнения окружающей среды (рис.2 [1]).

микроскопа

Примеры результатов «поатомной» сборки приведены на рис.3 [1].

Принципиальным фундаментом нанотехнологии является физика, химия и молекулярная биология искусственных и естественных объектов, состоящих из счетного числа атомов, т. е. таких объектов, в которых уже в значительной степени проявляется сильная зависимость всех свойств от их размеров (размерные эффекты), дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения (рис.4 [1]).

Нанообъекты занимают свое место в пространственно-временной плоскости характерных параметров объектов, используемых человечеством (рис.5[1]).

в зондовой сканирующей микроскопии

Континуально-классические модели*

Для описания объектов различных размеров используются различные методы и теории (рис.6 [1]).

*континуальные – непрерывные в пространстве

В настоящее время выделились следующие направления исследований и разработок в областях нанотехнологий:

1. Сверхпрочные материалы для авиационной, космической, «земной» промышленности;

2. Полимерные материалы с любым, наперед заданными свойствами;

3. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы;

4. Нанопористые материалы (молекулярные фильтры, адсорбенты, катализаторы, сепараторы);

5. Негорючие нанокомпозитные материалы на полимерной основе;

6. Элементы памяти компьютеров, сверхминиатюрные системы записи огромных массивов аудио и визуальной информации;

7. Источники электрического тока невиданной емкости (топливные элементы и аккумуляторы);

8. Нанороботы, передвигающиеся по венам и артериям и удаляющие нежелательные образования;

9. Нанодиагносты и нанотерапевты, определяющие характер заболевания и впрыскивающие нужные лекарства в нужной точке;

10. Биосовместимые материалы для трансплантации;

11. Лекарственные препараты;

12. Катализаторы, действующие не хуже природных ферментов-чемпионов производительности и эффективности.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий из нитридов, боридов, карбидов различных металлов толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только монокристаллическому алмазу. Подобные покрытия увеличивают износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозийную стойкость изделий, сделанные из дешевого материала в объеме. Ресурс деталей машин и инструментов с твердофазным наноупрочнением для жизненно важных аэрокосмического, энергетического, тяжелой техники повышается до 500% при малых энерго - материальных затратах. Создание космических средств с улучшенными на принципиально новом уровне тактико-техническими характеристиками связано с теоретическими и экспериментальными работами в области нанотехнологий и наноматериалов. Прогноз динамики увеличения отношения прочность/масса конструкционных материалов до 2040 года выглядит следующим образом.

На 2007г	До 2015г	До 2025г	До 2040
Металлические и полимерные композитные материалы	Композитные материалы из многостенных нанотрубок	Неориентированные структуры из одностенных нанотрубок	Монокристаллические сеточные структуры из чистого углерода
прочность /масса 10	50	100	500 и более

В 2007 году в печати отмечались следующие достижения мирового уровня в нашей стране:

- создание нанотехнологических сканирующих зондовых приборов, туннельных и атомно-силовых микроскопов;

- разработка технологий нанокристалических титановых имплантантов и особостойких наноструктурных покрытий;

- разработка новых методов получения наноматериалов;

- синтез и компактирование ультрадисперсных порошков;

- получение наноматериалов методами интенсивной пластической деформации, кристаллизация из аморфного состояния, пленочная нанотехнология;

- работы в области создания интеллектуальных наноматериалов и др.

В настоящее время создаются наноэлектронные устройства: нанотранзисторы, элементы логики, память большой емкости, микропроцессоры, преобразователи физических величин, датчики, самоорганизующиеся среды и т. п.

Первый нанотранзистор был создан в Нидерландах в 1998 году. Если традиционными методами удавалась создавать транзисторы размером 180 нм, то с использованием нанотехнологии – 65 и даже 18 нм.

Динамика развития микроэлектроники в предшествующие 30 лет и прогноз на следующее десятилетие отражена на рис.7 [1].

Предполагается, что далее наноэлектроника будет развиваться в следующих направлениях:

1.  Создание квантовых компьютеров;

2.  Одноэлектроника (использование свойств одного электрона в двухатомной молекуле) и спинтроника (использование двух возможных значений спина электрона);

3.  Использование углеродных трубок;

4.  Молекулярная электроника с использованием фрагментов ДНК.

Приближение к квантовым пределам (один электрон, один спин и т. д.) сулит быстродействие ~1 ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 ТБ/см2, что на много порядков выше, чем достигнута сегодня, а энергопотребление на несколько порядков ниже.

При такой плотности записи в винчестере размером в наручные часы можно было бы разместить фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех до единого жителей Земли.

У Министерства обороны США существует хорошо финансируемая программа создания «Smart dust» - 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, проводить спецоперации и т. д.

Нанороботы смогут очищать сосуды от микробов, зарождающихся раковых клеток, отложений холестерина (холестериновых бляшек), доставлять лекарства к соответствующим органам (рис.8).

Рынок продукции нанотехнологии выглядит следующим образом:

Готовые продукты, имеющиеся на рынке:

· нанодисперсные материалы;

· защитные и функциональные покрытия;

· композиты;

· керамика;

· полимерные материалы;

· катализаторы;

· наномембраны, нанофильтры;

· светодиоды;

· сенсоры, датчики;

· биочипы.

Продукты, которые будут готовы к выходу на рынок через 3-5 лет:

· углеродные материалы;

· сверхпроводящие наноматериалы;

· наноэлектронные устройства;

· наноматериалы оптоэлектроники[†];

· средства доставки лекарственных препаратов (нанокапсулы);

· лекарственные наноматериалы;

· микросистемная техника;

· медицинские диагносты;

· наноматериалы и наноустройства для военной техники.

Перспективные продукты и разработки через 10-20 лет:

·  наноматериалы с заданными свойствами, изменяющимися под воздействием внешней среды;

·  продукция нанобиотехнологий;

·  гибридные устройства и приборы бионического характера;

·  нанобиосистемы и устройства;

·  наноматериалы для преобразования и хранения энергии;

·  устройства сверхплотной записи информации;

·  наноэлектромеханика, биоактивные материалы, «умные имплантаты».

Гибрид живой и неживой материи – вот главный переворот, который несут человечеству нанотехнологии.

В странах ЕС с 2003 по 2006 на развитие нанотехнологий было выделено 1300 млн. евро, на г (7 лет) – 4865 млн. евро.

В 2007 г. Нанофорум, представляющий собой европейскую нанотехнологическую сеть, финансируемую Евросоюзом, опубликовал сообщение, в котором перечислены

– 240 центров в 28 странах, открытые внешним пользователям для работы на технологическом и аналитическом оборудовании;

– 16 центров классифицируется как крупнейшие исследовательские инфраструктуры Евросоюза, они имеют крупномасштабные технологические средства, рабочий персонал для проведения научно-исследовательских работ, передачи технологии и обучения и многомиллионные (в евро) ежегодные бюджеты; ­

– 143 сети, которые поддерживают сотрудничество и информационный обмен между участниками в странах Евросоюза;

– национальные сети в Германии, Великобритании, Франции, Голландии и Польше.

В США выполняется «Национальная нанотехнологическая инициатива». Ёе бюджет в 2001 г составляет 485 млн. долларов. В 2002 г. в наноисследования в США вложено 1,5 млрд. долларов, примерно четверть на военную технику. К 2015 г ставится задача создание новой отрасли на 2 млн. рабочих мест и годовым оборотом 15 млрд. долларов.

В послании федеральному собранию в апреле 2007 г. президент РФ объявил о выделении на нанотехнологии 130 млрд. рублей (5 млрд. долларов).

Наше государство на ближайшие годы выделило на нанотехнологии 200 млрд. рублей (8 млрд. долларов), создана государственная корпорация нанотехнологий «РОСНАНО».

Как отметил в сентябре 2009 г генеральный директор госкорпорации «РОСНАНО» , все западные и азиатские авиастроители уже сейчас выпускают самолеты из легких и сверхпрочных композитных сплавов, полученных с помощью нанотехнологий (препрегов), по сравнению с которыми российская продукция становиться неконкурентоспособной. Еще через несколько лет под вопросом окажется существование космической промышленности, а затем судо - и автомобилестроение в России. Затем станут анахронизмом. используемые в России традиционные методы строительства: высотные здания будут создаваться с использованием композитных материалов нового поколения.

Композитные материалы нового поколения аналогичные тем, что применяются в зарубежном авистроении, начнут производиться в IV квартале 2009 г на заводе в подмосковном Климовске, рядом с Подольском. Прочность материала должна составить 300-320 кг/кв. мм., а температура его эксплуатации – до 320 С.

Развитие производства композитов – одно из четырех приоритетных направлений деятельности «РОСНАНО» наряду с оптоэлектронной, солнечной энергетикой и медициной. Госкорпорация поддерживает также производство конкретных изделий и оборудования из наноматериалов, в частности создание крупносерийного производства режущего инструмента из нанопорошка кубического нитрида бора – второго по твердости материала после алмаза. Этот материал может использоваться для черновой и чистовой обработки деталей, в первую очередь в таких отраслях как тяжелое машиностроение, автомобилестроении, добывающей промышленность и строительство. Использование нанопорошка делает инструмент износо - и теплостойким, а затраты на обработку деталей таким инструментом могут снижаться до 60 %. Военные нанотехнологии сосредоточены на разработке более прочных и легких материалов например нанокерамике, новых покрытий: антикоррозионных, износостойких или снижающих радиолокационную заметность; нанофильтров не пропускающих бактерий, разнообразных мембранных датчиков и конечно взрывчатки, в частности алюминиево-магниевого порошка с размером частиц до 100 нанометров. Действие бомбы с этим взрывчатом веществом не загрязняет окружающую среду, но по своей эффективности и возможностям соизмерима с ядерной бомбой.

В 2007 г. более 50 стран мира инвестируют в развитие и освоение нанотехнологий до 14 млрд. долларов. Мировой рынок нанопродукции быстро развивается и составил в 2007 г. порядка 2,5 млрд. евро, а к 2010 г. – возрастет до 100 млрд. евро. В 2007 г. это в основном биотехнология, катализ, наноэлектроника, оптроника, средства связи нового поколения, тонкие пленки различного назначения.

По прогнозам к 2015 г. годовой оборот мирового рынка нанотехнологий достигнет 1 трлн. долларов (или 1 трлн. евро).

Наряду с подчеркиванием важности нанотехнологической революции в XXI веке, специалисты отмечают опасность использования наноматериалов, которые, попадая в легкие, вызывают рубцевание ткани легких (гранулему легких), а затем и развитие раковых клеток. Возможно повреждение мозга.

Литература:

1.  . Введение в нанотехнологию. Учебное пособие. М. «Издательство Машиностроение - 1», 2003.

2.  «Нанотехнологии в ближайшем тысячелетии». Пер. с англ. М. «Мир», 2002.

3.  . «Нанотехнологическая революция стартовала!» Природа, 2004, №1, с.25-36.

4.  М. Рыбалкина. Нанотехнологии для всех. Большое - в малом. www. *****, http://ribalkina. *****.

[*] Кластер – группа, объединение элементов.

[†] Оптоэлектроника – электроника, использующая оптическое излучение