Появившиеся в конце прошлого века нанотехнологии в настоящее время претерпевают очень быстрое развитие. Выделились целые отдельные фундаментальные и прикладные науки: нанохимия, нанобиология, наноэлектроника, нанотоксикология и т. п.
О том, почему нанонауки отличаются от наук без "нано-" и почему их развитие так необходимо, читайте ниже.
Начать стоит с того как все началось. 29 декабря 1959 года в Калтехе талантливый американский физик-теоретик Ричард Фейнман прочитал знаменитую лекцию "There's Plenty of Room at the Bottom" ("Там, внизу, полным-полно места"). В ней будущий нобелевский лауреат предлагает всему ученому сообществу задуматься над тем, что находится "внизу", т.е. внутри структуры веществ и материалов и что это может принести человечеству.
"And it turns out that all of the information that man has carefully accumulated in all the books in the world can be written in this form in a cube of material one two-hundredth of an inch wide."
"И получается, что вся информация, которую человек аккуратно накапливал во всех книгах в мире, может быть записана в этой форме в кубе материи, со стороной в одну двухсотую долю дюйма*."
* 127 микрон.
Фейнман тогда малость преуменьшил возможности технологий будущего. Сейчас имеется возможность записи информации при помощи отдельных молекул. А в недалеком будущем мы сможем сохранять, например, фильмы за счет изменения состояний отдельных атомов.
Интересно, что начало изучения вещества на уровне отдельных атомов и молекул началось гораздо раньше - на стыке XIX и XX веков. Резерфорд , Эйнштейн , Больцман , Бройль , Планк - это фамилии лишь немногих из тех, чьими трудами крепло атомно-молекулярное учение о материи. Работы по изучению атома требовали от исследователей оборудования соответствующего уровня.
Разработка микроэлектронных устройств взамен их громоздких предшественников привело к пониманию того, что можно манипулировать отдельными группами атомов и молекул, создавая необходимые структуры. В 1974 году сотрудником Токийского университета Норио Танигучи впервые появляется термин "нанотехнология" для определения нанометровых допусков в макроскопических деталях. По мере развития нанотехнологий она выделялась как самостоятельная область деятельности, становились очевидными и ее основные принципы:
- предельная миниатюризация с целью придания новых практически важных свойств;
- формирование полезных свойств в макрообъекте за счет направленного изменения его структуры.
В 80-е годы произошло переосмысление термина. В 1981 году сотрудник Массачуссетского университета Эрик Дрекслер , вдохновленный идеями Фейнмана публикует статью "Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation" ("Молекулярная инженерия: подход к разработке общих принципов манипулирования молекулами"), в которой описывает возможность создания различных устройств на молекулярном уровне подобно конструированию белковых макромолекул из простых фрагментов. Однако самые смелые свои фантазии он публикует через несколько лет в книге "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology" ("Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии"), где размышляет о том, что мы могли бы сделать, умея манипулировать отдельными атомами. Дрекслер не только перечисляет возможные способы использования нанотехнологий на благо человечества, но и предлагает множество идей о том, как можно было бы начать их оценивать.
В настоящее время термин "нанотехнология" определяется согласно международному стандарту ISO/TS 80004-1 .
Нанотехнология - совокупность технологических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона.
Стоит отметить, что в определении речь идет не только о веществах и материалах, но, в первую очередь, о методах получения и изучения наноматериалов. Ведь чтобы наноразмерные объекты создавать, необходимо иметь возможность их "видеть", т. е. определять их структуру, форму и состав.
Оптическая микроскопия для таких целей не подходит из-за ограниченного разрешения - всего 0,0002 мм (размер вируса коровьей оспы 0,00026 мм). Его недостаточно, чтобы рассмотреть даже самые крупные нанообъекты. Современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) достигают разрешения нескольких десятых долей нанометра. Однако вследствие технических характеристик снимки структур, полученные на ПЭМ обладают довольно низкой контрастностью. Чтобы ее увеличить были разработаны специальные приемы, например, напыление вольфрама. Это, естественно, в общем случае искажает полученную информацию. Созданный в 1938 году растровый электронный микроскоп (РЭМ) во многом решал проблемы с контрастом, но имел недостаточно высокое разрешение, чтобы обеспечивать нанотехнологические исследования, - несколько нанометров.
В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер из компании IBM создают первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).
В основе метода лежит квантовомеханический принцип туннелирования электронов через непроводящий барьер. Подробнее об этом можно почитать, например, здесь. При помощи СТМ стало возможным наблюдать отдельные атомы. По сути, этот микроскоп впервые дал исследователям возможность буквально увидеть атомы. За эту заслугу они поделили Нобелевскую премию по физике уже в 1986.
Еще одной особенностью нового микроскопа стала возможность манипулирования отдельными атомами. Этим и воспользовался сотрудник компании IBM Дон Эйглер, чтобы построить первое изображение из отдельных атомов.
А в 2013 году в компании сняли целый фильм "A Boy and His Atom" ("Мальчик и его атом"). Правда рейтинги у него не очень высоки - 6,8/10 на IMDb)). А вот и сам фильм:
С тех пор возможность манипулировать отдельными атомами перестала быть какой-то научной фантастикой. Предсказания Ричарда Фейнмана и Эрика Дрекслера начали сбываться. Началась новая эра - эра нанотехнологий.
"Погодите-ка!" - скажете вы, - "То, что IBM сделала себе рекламу из атомов, еще не значит, что нанотехнологии имеют какую-то практическую ценность." К счастью, вы ошибаетесь.
Дело в том, что наноматериалы проявляют совершенно другие физические и химические свойства в отличие от их макроскопических братьев. Но для начала давайте определимся с термином "наноматериал", потому что недобросовестные ислледователи, маркетологи и просто люди зачастую трактуют его в угоду себе и своему бизнесу.
Согласно тому же ISO, наноматериал - твердый или жидкий материал, полностью или частично состоящий из структурных элементов, размер которых хотя бы по одному измерению находится в нанодиапазоне (1 - 100 нм). Одно из главных отличий наноматериалов от макроразмерных - наличие большого количества поверхностных атомов.
Поверхностные атомы имеют больше энергии, а потому наночастицы тоже обладают высокой поверхностной энергией. От поверхностной энергии зависит химическая активность материала: чем больше эта энергия, тем выше химическая активность. Помимо этого наноматериалы отличаются более упорядоченной кристаллической структурой, что тоже сказывается на их свойствах.
Все большое разнообразие существующих наноматериалов часто классифицируют по размерностям:
- Трёхмерные (3D). Это объемные наноструктурированные материалы, размеры которых во всех трех измерениях составляют больше 100 нм. К таким наноматериалам относятся, например, нанопоры, цеолиты.
- Двухмерные (2D). Это плоские наноматериалы, размеры которых в любых двух измерениях составляют больше 100 нм. К ним относятся тонкие пленки, графен, многослойные гетероструктуры и др.
- Одномерные (1D). Это вытянутые в виде нитей наноструктуры, размер которых только в одном измерении больше 100 нм. В эту группу входят различные нанонити и нанотрубки.
- Нульмерные (0D). Это наноматериалы, размеры которых во всех трех измерениях составляют меньше 100 нм. К таким наноматериалам относят фуллерены, наночастицы и квантовые точки.
Практически все свойства частиц изменяются при уменьшении их размеров. Прочность нанокристаллических материалов при растяжении существенно превышает прочность крупнокристаллических аналогов и при этом сохраняется лучшее соотношение между прочностью и пластичностью. Например, нержавеющая кислотоустойчивая сталь 12Х18Н10Т с зернами размером 100 нм имеет предел текучести (напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация) практически в 6 раз больше, чем у такой же стали со стандартным размером зерен, - 1340 МПа.
Меняются и такие физические свойства, как температуры фазовых переходов. Например, золото имеет температуру плавления 1064 °С, но при уменьшении размера частиц температура плавления тоже уменьшается.
Подобные зависимости наблюдаются и у других металлов, а также у сложных веществ.
Интересными представляются оптические свойства некоторых наночастиц. Полупроводниковые наночастицы (квантовые точки) способны флуоресцировать под действием ультрафиолета. Наиболее популярны в этом отношении вантовые точки селенида и сульфида кадмия.
Причем энергия вторичного излучения, т. е. цвет, зависит и от состава наночастицы и от ее размера. При одинаковом составе, чем меньше размер частицы, тем больше вторичное излучение смещено в фиолетовую область спектра.
Химические свойства также изменяются. Так, если пластинка алюминия не окисляется на воздухе (от окисления ее защищает прочная оксидная пленка на поверхности), то наночастицы алюминия моментально превращаются в оксид алюминия. Пирофорный порошок железа (тоже наночастицы) вообще воспламеняется при контакте с воздухом.
Наноматериалы находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Квантовые точки нашли свое применение в светодиодах, а те, в свою очередь, в QLED-дисплеях, которые, на сегодняшний день, только начинают выпускаться.
Телевизоры, созданные на основе таких дисплеев могут похвастаться высочайшим контрастом и глубиной цвета в купе тонким легким корпусом.
Углеродные нанотрубки применяются в изготовлении сверхпрочных волокон. Такие волокна, вследствие их низкой плотности и высокой прочности на разрыв, планируется в будущем применять при строительстве космического лифта.
Наноструктурированные сплавы (та же сталь 12Х18Н10Т), обладая повышенными физико-механическими свойствами, находят широкое применение в промышленности.
Мы воспринимаем нанотехнологии, как нечто отдаленное, - будущее, которое нас, возможно не коснется. Однако это не так. Человечество столкнулось с наноматериалами задолго до появления самого термина "нанотехнология". Свидетельства тому мы находим по всему миру. Пожалуй, одно из самых ярких - кубок Ликурга
Этот древнеримский кубок датирован 4 годом н. э. и способен менять свой цвет в зависимости от освещения – например, с зеленого на ярко-красный. Ученые выяснили, что такой необычный эффект связан с содержащимися в стекле наночастицами золота и серебра.
Еще один такой пример применения наноматериалов древними людьми - дамасская сталь. В 2006 году ученые обнаружили , что сталь просто усеяна углеродными нанотрубками, что, вероятно, делает ее такой прочной и долговечной.
Современные применения нанотехнологий охватывают гораздо большее число направлений, нежели в древности. Настанет время и мы не сможем обходится без них так же, как не можем обходится сейчас без холодильника или мобильного телефона.