Нанотехнологии, особенности их возникновения и развития.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) (рис. 1). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть им механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. [1]

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-

журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

"Обычная" промышленность работает с тоннами и кубометрами, к чему все привыкли. Наноматериалы - продукт нанотехнологий - это нечто особое, что гораздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже один грамм такого вещества способен решить множество проблем.

Наноматериалы - не один "универсальный" материал, это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами.

Заблуждением является и то, что наноматериалы - это просто очень мелкие, "нано"частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микро и макро объекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Изменения основных характеристик веществ и материалов обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.).

Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании медицине, косметике, пищевой промышленности, АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учеными. Так, оказалось что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов: медь в 7 раз, цинк в 30 раз, а железо в целых 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдениями всех норм.

В настоящее время существуют десятки способов получения металлических наноматериалов, которые условно можно разделить на две группы: химические способы и физические способы.

Металлические наноматериалы, полученные с помощью химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую "наследственность" исходных химических соединений, что делает проблемным их использование в отраслях с жесткими требованиями к чистоте используемых материалов, в том числе и в агропромышленном комплексе.

Наиболее приемлемыми для таких отраслей являются металлические наноматериалы, полученные с помощью нанотехнологий, основанных на использовании физических явлений.

Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, расположенных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. При этом, как Россия, так и Украина занимают ведущее место в этом направлении получения наноматериалов. Более того, Украина, благодаря разработке целой группы нанотехнологий - эрозионно-взрывных нанотехнологий получения наноматериаллов, имеет возможности выйти в мировую группу ведущих производителей наноматериалов в целом. В частности, с помощью эрозионно-взрывных нанотехнологий получены такие новые наноматериалы:

— неионные коллоидные растворы наночастиц металлов;

— анионоподобные высококоординационные аквахелаты нанометаллов;

— гидратированные наночастицы биогенных металлов;

— гидратированные и карботированные наночастицы биогенных металлов;

— электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов;

— электрически нейтральные и электрически заряженные металлические наночастицы в аморфном состоянии;

— структурированные агломераты наночастиц;

— наногальванические элементы;

— энергоаккумулирующие металлические наноматериалы.

К настоящему времени применительно к большой группе наноматериалов на основе металлов Au, Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe, получены технические условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство отечественным производителем.

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. Основные задачи наноэлектроники

— разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;

— разработка физических основ технологических процессов;

— разработка самих приборов и технологий их изготовления;

— разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а давно нано, т.к. производимые сегодня транзисторы - основа всех электронных схем имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов (см. рис. 2).

 

 

Рис. 2 Внутреннее устройство современной электронной схемы.

 

Увеличено в 50 000 раз. Размер по горизонтали равен 4 мкм. Транзисторы образованы кристаллами кремния (голубыми столбиками). Зелёный слой – окись кремния.

Однако сейчас уже ведутся работы, чтобы размеры транзисторов сделать ещё на порядок меньше,заменяя их наноструктурами.

 

Рис. 3. Гипотетическая схема цепочки из нанотранзисторов, состоящая из параллельных полосок проводников толщиной в несколько атомарных слоёв

На рисунке 3 схематически показаны параллельные плоские полоски нанопроводников, состоящие из нескольких атомарных слоёв. Эти полоски пересекает под прямым углом, не касаясь, ряд параллельных нанопроводников, имеющих форму мостов. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из полупроводникового материала. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить информацию и выполнять логические операции, то есть - заменять транзисторы.

Очень широки возможности применения в наноэлектронике нанотрубок.

Благодаря уникальным физическим свойствам и структурным особенностям углеродные нанотрубки – идеальные претенденты на роль элементов для электронных схем.

Основной потенциал использования нанотрубок в наноэлектронике заключается в возможности создания субмикронных элементов для электронных схем – нанотранзисторов, нанодиодов, нанокатодов.

Углеродные нанотрубки с "нанопочками" обладают большей площадью поверхности и большим количеством точек – источников эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения.

Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок так же пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.

Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические "магнитные элементы" — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографическои записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.

Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологий. Эту разновидность компания назвала "памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках не требующую постоянного питания" (NRAM - Nanotube- based/ Nonvolatile RAM).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.

В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография.

На сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т. д.

Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

В животноводстве и птицеводстве при изготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности, сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж уменьшается в 2 раза).

На основе наноматериалов создано большое число препаратов, позволяющих сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники.

Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро и наномедь) находят широкое применение для дезинфекции сельхозпомещений и инструментов, при упаковке и хранении пищевых продуктов.

В молочной промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения. Развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами (витамины в виде наночастиц).

Незаменимую роль могут сыграть наноматериалы при использовании их в качестве различных катализаторов, например, катализаторов горения для различных видов топлива, в том числе и биотоплива, или катализаторов для гидрирования растительного масла в масло-жировой промышленности. В частности, в Санкт-Петербургском технологическом институте рассматривается возможность использования наноразмерного палладия для гидрирования растительного масла взамен катализатора на основе никеля, обладающего аллергенным и канцерогенным действием.

По мнению ученых, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведет к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов - "нанопродуктов", которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированные продукты. К примеру, подобное мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group.

Согласно общепринятой научной терминологии, продукт может называться "нанопродуктом", если при его выращивании, производстве, переработке или упаковке использовались наночастицы, нанотехнологические разработки и инструменты. Разработчики нанопродуктов обещают более совершенный процесс производства и упаковки продуктов питания, их улучшенный вкус и новые питательные свойства, ожидается также производство "функциональных" продуктов (продукт будет содержать лекарственные или дополнительные питательные вещества). Ожидается также увеличение производительности и уменьшение цен на пищевые продукты. Уже через пару десятков лет использование нанопродуктов будет повсеместным, говорится в докладе, подготовленном для Королевского научного общества Великобритании (Royal Society).

Исследованиями в области нанопродуктов занимаются ученые не только развитых стран, но и ученые развивающихся стран. В частности, научные лаборатории Мексики и Индии объединенными усилиями пытаются создать нетоксичный наногербицид.

Исследователи Арканзаского университета Литл-Рокского Нанотехнологического Центра установили, что экспозиция семян томатов в питательном растворе, содержащим углеродные нанотрубки приводит к их более быстрому и усильному прорастанию. Учёные считают, что углеродные нанотрубки могут стать открытием для всего сельского хозяйства, открыв эру удобрений нового типа.

Рис 7. Слева: томаты, выращенные в обычном питательном растворе;

 

Справа: томаты, выращенные в питательном растворе с углеродными нанотрубками

Принцип воздействия углеродных нанотрубок следующий. Благодаря своим микроскопическим размерам, нанотрубки легко проникают сквозь кожицу семени, способствуя лучшему проникновению воды и питательных веществ внутрь семян. Это и сказывается на скорости прорастания семян.

Тем не мене многие учёные считают, что использование подобных "нано-удобрений" может привести к непредсказуемым последствиям. Так некоторые опыты с "удобрением" томатов углеродными нанотрубками показали, что плоды оказались "токсичны" для плодовых мушек дрозофил. Кроме того, согласно некоторым исследованиям, углеродные нанотрубки являются канцерогенами для животных организмов.

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса.

В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран).

В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.

В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь. Создание нанотехнологической промышленности будущего даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. А развитие таких технологий, особенно на начальном этапе, не рыночно, ибо требуют больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию.

Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".