Формирование нанонауки

 

Нанонаука выделилась в качестве отдельной дисциплины лишь в последние 5-10 лет. Именно в наноразмерном интервале на молеку­лярном уровне природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов. Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Поэтому многие из давно используемых человечеством материалов и процессов фактически связаны с нано­технологиями. В частности, фотография, добавки глин в каучук для получения высокачественной резины и др.

Основоположником нанотехнологии считается один из круп­нейших физиков XX века Нобелевский лауреат Р.Фейнман, который в 1959 г. указал на возможность оперирования наночастицами. В 1966 г. была обоснована идея использования туннельного эффекта для опре­деления рельефа поверхности на микроуровне.

С 1980 г. в технологии производства транзисторов стали исполь­зовать искусственно создаваемые пленки толщиной около 10 нм, что позволило существенно улучшить качество транзисторов.

B 1981 г. появляется сканирующий туннельный микроскоп, по­зволяющий осуществить воздействие на наночастицы (Нобелевская премия 1986 г.). В 1982-1990 гг. развитие микроскопной техники дос­тигло возможности управлять отдельными атомами.

Появившаяся в 1980-х годах аппаратура позволила открыть но­вые явления, связанные с тем, что хотя бы один из размеров иссле­дуемого объекта был менее 100 нм.

Термин «нанотехнология» и общепринятое теперь системное ис­толкование этого термина впервые ввел сотрудник Массачусетского технологического института Э. Дрекслер (1986 г.) в работе «Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии».

В 1991 г. были созданы углеродные нанотрубки - крошечные цилиндры диаметром 0,5-1,0 нм и длиной 1 мкм (1000 нм), являю­щиеся третьей кристаллической формой углерода кроме алмаза и графита.

В 1994 г. началось применение нанотехнологических методов в промышленности и в 1998 г. датские ученые продемонстрировали функционирование атомного бинарного триггера, позволяющего за­поминать два состояния.

В 1997-1998 гг. углеродные нанотрубки нашли применение в ве­сах для взвешивания вирусов.

В 1998 г. изготовлен элемент памяти ЭВМ с объемом 128 MB, работающий при комнатной температуре.

В настоящее время не существует четкой границы, с помощью которой можно было бы отделить истинно нанотехнологию от близ­ких дисциплин атомной и молекулярной науки. Королевское общест­во инженеров Великобритании дало следующие определения: «Нанонаука изучает явления и превращения, происходящие с мате­риалами на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, когда их свойства значительно отличаются от макроскопических свойств», «Нанотехнологии - это проектирование, описание, произ­водство и использование структур, средств и систем с помощью управления формой и размерами объектов на наноуровне (в нано­масштабе)».

 

• Объекты исследований. Под наносистемами обычно понимают множество тел, окружен­ных газовой или жидкой средой, размер которых остается в пределах 0,1-100 нм. Это промежуточные формы между атомами и макроско­пическими телами. Особенность нанотел состоит в том, что их размер 1-100 нм соизмерим с радиусом действия сил межфазного взаимодей­ствия, то есть с расстоянием, на котором сказываются взаимодейст­вия между телами на атомарном уровне в обычных материалах. Именно поэтому к объектам исследований нанонауки относятся ульрадисперсные системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицеллярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, пленки жидкости на поверхности.

При переходе к наночастицам происходит качественное измене­ние многих физико-химических свойств вещества: температуры плавления и затвердевания; растворимости; характера кинетики хи­мических процессов, протекающих на поверхности частиц. Это свя­зано с тем, что для частиц, размеры которых хотя бы по одному направлению соизмеримы (или меньше) с радиусом корреляции какого-либо физического или химического свойства (длина свободного пробега электронов, размера зародыша новой фазы, размера магнитного домена и т.д.), начинают проявляться размерные эффекты. Наличие подобных специфических свойств служит основанием для рассмотрения ультрадисперсного состояния (УДС) как пятого состояния вещества.

Одним из наиболее важных проявлений свойств УДС является адсорбционное понижение прочности металлов. Не менее важен эффект зависимости поверхностного натяжения от радиуса кривизны межфазной поверхности, что определяет капиллярные силы и по­верхностные явления. Этот эффект особенно заметен для нанораз­мерных капель.

Большая роль нанотехнологии в охране окружающей среды, поскольку загрязняющие вещества имеют размер менее 300 нм в воде, и менее 20 нм в воздухе. Наночастицы (оксиды железа, глина и другие коллоиды) в окружающей среде выступают в качестве как загряз­няющих агентов, так и основных переносчиков питательных веществ. Поэтому изучение механизмов переноса с их участием должно по­мочь исследователям в управлении этими характеристиками.

Нанотехнологии для добычи нефти и газа и нанотехнологии в добыче нефти и газа - это большие, но разные группы технологий.

 

• Наноявления в геологии. Наноразмерные компоненты выступают в качестве основных в фундаментальных процессах, связанных с горными породами, где весьма важна проблема различия свойств двумерного состояния вещества (поверхности раз­дела) и объемного состояния. Установлено, что многие фундамен­тальные свойства вещества (температура плавления, остаточный маг­нетизм, смачивающие свойства) в значительной степени определяют­ся размерами кристаллов именно в нанометровом диапазоне.

Это оказалось значимым в механизмах минералообразования и выветривания горных пород. Они приводят, например, к пре­образованию одних глинистых минералов в другие. На осно­ве изучения наноразмерных комплексов возникло новое направление в науках о Земле - наноминералогия, начавшее формироваться в 1980-1990 гг.

Как известно, минеральный состав пород-коллекторов нефти и газа весьма разнообразен. В терригенных нефтяных и газовых кол­лекторах значительную долю (20-50 %) могут составлять глинистые минералы. Они представляют собой гидратированные алюмосилика­ты, обычно с частичным замещением алюминия железом и магнием. Глинистые частицы тонкозернисты: их характерный размер изменяет­ся в диапазоне от нескольких миллимикрон (нанометров) до не­скольких микрон.

Для нефтегазовых коллекторов характерно установившееся рав­новесие между насыщающей их водной средой и глинистыми мине­ралами, цементирующими коллектор. При изменении ионного равно­весия в системе «вода - глинистый минерал» реализуется основная особенность глинистых минералов - их способность к ионному обме­ну. Динамика этого процесса определяется минералогическим соста­вом глин, их специфическими свойствами, а также химическим со­ставом закачиваемой воды, и различается для трех зон осадочного чехла.

Большую роль наноминералогии в процессах повышения нефтеотдачи показывают также исследования межслоевого пространства различных глинистых минералов нефтяного пласта, где показано, что гидрослюдистые комплексы в структуре коллектора обычно фор­мируют нанотрубчатые пленки, изменяющие смачивающие свойства коллектора. Сульфидные же наноминералы, в частности, пирит, при его образовании за счет восстановительных реакций после закачки в пласт сернокислотных композиций, приводят к закупорке пор из-за его расположения в сужениях пор. Вследствие этого предложе­но проводить литолого-минеральное картирование залежей нефти.

Большие запасы нефти сосредоточены в карбонатных коллекто­рах. Особенный интерес в последнее время представляют нефтегазоконденсатные месторождения (НГКМ), сформированные в рифогенных (биогермных) полифациальных комплексах. В разработку вво­дится все большее количество сформированных в рифах месторожде­ний, мировые запасы нефти и конденсата в которых составляют око­ло 40% и газа около 25%.

Оказалось, что карбонатное породообразующее вещество нахо­дится в отдельных зонах залежи в различных фазовых состояниях - от коллоидного до кристаллического, но во всех случаях оно имеет разного порядка глобулярную или фибриллярную надмолекулярную упорядоченную структуру. Его полимерная природа, а также возможное состояние в залежи в набухшем коллоидном состоянии были подтверждены способностью набухать в углеводородах (ди­зельном топливе, гептане и др.) с увеличением объема зерен до 5-10 раз. Подобные глобулярные микроструктуры характерны для органи­ческих полимеров и битумов. Полученные данные свиде­тельствуют о необычном полимерном строении карбонатного поро­дообразующего вещества, аналогично строению органических поли­меров и битумов, кроме того, содержащем больше углерода и кисло­рода, чем в карбонате Са. Из чего следует, что это полимерное веще­ство содержит в своем составе не только карбонат Са, но и некоторую органическую составляющую.

Матрица карбонатного породооб­разующего полимерного вещества имеет сложное упорядоченное ми­нерально-органическое строение и состоит не из чистого карбоната кальция (минеральной составляющей), а включает в себя и органиче­скую составляющую, которые связаны химически. В различных зонах залежей, в том числе в газовых частях, породообразующая матрица, как установлено в результате геохимических исследований, содержит сингенетичные высокомолекулярные соединения (ВМС): асфальтены, смолы, парафины, масла (в концентрациях от сотых долей процента до 2,4 % - масс.), а также содержащиеся в ВМС металлы, в том числе цветные и благородные, концентрации которых иногда достигают средних промышленных значений.