Период химии наноматериалов и наносистем

«Нанотехнологии являются основными технологиями промыш­ленной революции в XXI веке. Тот кто освоит нанотехнологии, будет лидировать в отрасли» (Michighary Nakamura – Мичихари Накамура, вице-президент Hitachi). «Мы считаем, что крупные научные достижения нанотехнологии бу­дут состоять в создании новых материалов» (Troy Kirkpatrick- Трой Кёркпатрик-, GE Global Research).

1. Особые физические свойства малых частиц давно, хотя и неосо­знанно, использовались людьми. Примерами могут служить изготов­ленные еще в древнем Египте образцы цветных стекол, окрашенные коллоидными частицами металлов, или применявшиеся в разные ис­торические эпохи красящие пигменты. Первым научным упоминанием малых частиц является, по-видимому, открытое в 1827 году шотланд­ским ботаником Р. Броуном беспорядочное движение частиц цветочной пыльцы, взвешенных в жидкости. Теория броуновского движения, развитая независимо А. Эйнштейном и М. Смолуховским в начале XX века, является основой одного из экспериментальных методов определения размеров малых частиц. Рассеяние света водными коллоидными растворами и стеклами в период 1850-1860 годов изучал М. Фарадей.

2. Фактически началом изучения наноструктурного состояния веще­ства явились исследования в области коллоидной химии, достаточно широко проводившиеся уже с середины XIX века. В XX веке стали интенсивно развиваться исследования гетероген­ного катализа, ультрадисперсных порошков и тонких плёнок. В таких исследованиях естественно возникал вопрос о влиянии малого раз­мера изучаемых объектов на их свойства.

В 1959 году знаменитый американский физик, лауреат Нобелев­ской премии Ричард Ф. Фейнман прочитал лекцию под названием «Внизу полным-полно места», в которой впервые была рассмотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных эле­ментов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно, «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему поряд­ке.

3. В настоящее время к наноструктурным материалам относят нанопорошки металлов, сплавов, интерметаллидов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и эти же ве­щества в компактном (bulk) состоянии с зёрнами нанометрового разме­ра, а также нанополимеры, углеродные наноструктуры, нанопористые материалы (в СССР разработаны обратноосмотические и ультрафильтрационные мембраны: Дубяга В.П.-1969 г. и Каталевский Е.Е – мембраны на основе эфиров целлюлозы-1970 г.; Карачевцев В.А. – ультрафильтрационные мембраны на основе фторполимеров – 1975 г., Христофоров А.И.- обратноосмотические и ультрафильтрационные мембраны на основе полиакрилонитрила -1976 г, Бон А.И., - мембраны на основе поливинилхлорида- 1978 г.,), нанокомпозиты, биологические наноматериалы. Создание наноматериалов непосредственно связано с разработкой и применением нанотехнологий. Изучение наноматериалов выявило немало пробелов в фундаментальных знаниях о природе нанокристаллического состо­яния, его стабильности при различных условиях. В целом область наноматериалов и нанотехнологий очень широка и не имеет четких очертаний.

4. Особые строени е и свойства малых атомных агрегаций представ­ляют значительный научный и прикладной интерес, так как являются промежуточными между строением и свойствами изолированных ато­мов и массивного (объёмного) твёрдого тела

5.С другой стороны, начиная с 1980 года, в технологии производст­ва транзисторов и лазеров все чаще стали использоваться искусст­венно создаваемые пленки толщиной около 10 нм, что позволяло из­готовлять устройства с новыми, повышенными техническими характеристиками. В 1981 году сотрудники фирмы IBM со­здали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов, что явилось исключительно важным научным достижением, поскольку исследователи впервые получили возможность непосред­ственно наблюдать и изучать мир в нанометровом, атомарном мас­штабе. Японские фирмы и научные организации, в свою очередь, начали энергично развивать методики в области микроскопии, в ре­зультате чего за короткое время были созданы новые типы сканиру­ющих туннельных микроскопов, а также электронных микроскопов с очень высоким разрешением, позволяющих исследовать движение отдельных атомов и молекул. Это привело к энергичному развитию экспериментальной техники в нанометровом диапазоне и значительно расширило наши представления о микро­мире и нанообъектах.

6. Лишь после 1985 года, когда были созданы методы получения компактных нанокристаллических веществ, началось интенсивное заполнение отмеченного пробела знаниях о твёрдом теле. Эрик К. Дрекслер в своей известной книге «Машины творения» (1986) предложил создавать ус­тройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологии.

В 1991 году Япония начала осуществлять госу­дарственную программу по развитию техники манипулирования атомами и молекулами. Наука о керамических наночастицах в течение многих лет находится под пристальным вниманием. Например, только в период 1991–1998 г. исследованию наноструктур было посвящено более 2700 опубликованных работ. Свыше 300 разработок, связанных с наноматериалами, было запатентовано в США. Ультрадисперсные порошки и наноматериалы получают сейчас из самых разнообразных веществ: керамики, металлов, полупроводников, полимеров, композиционных материалов в самых разнообразных формах: в виде сухих порошков, жидких дисперсных систем, покрытий и пленок, компактных объемных изделий.

Отражением растущего интереса к наноматериалам является непрерывный рост их производства. Уже сейчас, например, активно занимаются исследованиями и производством наноматериалов более 50 американских компаний, причем 12 из них производят наноматериалы в промышленном масштабе. Объем продаж изделий из наноразмерных структур в 1996 г. зафиксирован на уровне 42,3 млн. долларов, а в 2001 г. он возрос до 155 млн. долларов в год [6]. В настоящее время в промышленных масштабах производят наноструктурные материалы всех типов – керамику, металлы, полупроводники и сверхтвердые материалы. При этом 98 % всего производства, выходящего на рынок, составляют сухие порошки и жидкие дисперсные системы, которые используются для производства нанокристаллической и преимущественно оксидной керамики. Имеются достаточные успехи в областях синтеза, изучения поверхностных явлений, деструктивной адсорбции, катализа, текстурологии и т.д. [6].