Когда-то нанотехнологии были областью научной фантастики, но сегодня они лежат в основе многих технологий, которые мы считаем само собой разумеющимися. Без нанотехнологий не существовало бы полупроводников в нашей электронике, легких самолетах, спортивных автомобилях и даже многих современных лекарствах.
Корни этой отрасли науки и техники лежат в знаковой презентации физика Ричарда Фейнмана в 1959 году: « Внизу много места ». В презентации он объяснил, как можно манипулировать материей на атомном уровне. Работа Фейнмана была признана лишь 20 лет спустя, но теперь его считают «отцом» нанотехнологий, какими мы их знаем сегодня.
Согласно Национальной инициативе по нанотехнологиям США , определение нанотехнологии — это «наука, инженерия и технологии, осуществляемые в наномасштабе, который составляет от 1 до 100 нанометров (нм)». Для сравнения: толщина листа бумаги составляет 100 000 нм.
Чтобы обеспечить полное использование нанотехнологий, химикам требовались специализированные инструменты, которых на момент презентации Фейнмана просто не существовало. Развитие технологий сканирующей зондовой микроскопии, таких как атомно-силовой микроскоп (АСМ, 1985 г.) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, 1981 г.), в шестидесятые годы позволило ученым визуализировать наночастицы. С тех пор были разработаны технологии изготовления наночастиц, такие как электронно-лучевая литография — метод, используемый для изготовления полупроводников.
Итак, наночастицы малы. А нанотехнология предлагает так много возможностей и применений, потому что, когда вы достигаете такого размера, атомы и молекулы начинают вести себя по-другому. Но несмотря на то, что эти изменения происходят на наноуровне, они могут привести к значительным изменениям.
Нанотехнологии в материаловедении
Создание инновационных наноматериалов использует эти изменения в поведении, когда инженеры-материалисты начинают работать на наноуровне. Поскольку наночастицы достаточно малы, чтобы удерживать свои электроны, они испытывают квантовые эффекты – наночастицы начинают вести себя как с волновыми, так и с корпускулярными свойствами.
Когда частицы, составляющие материал, имеют размер, близкий к атомному, отношение площади поверхности к объему очень велико – они имеют большую площадь поверхности по сравнению с объемом.
Сравните это с объемным материалом, например листом или блоком металла, площадь поверхности которого мала по сравнению с его объемом. Медный лист или проволока мягкие и податливые. Но наночастицы меди размером 50 мкм ведут себя совсем по-другому. Характеристики пластичности и ковкости существенно различаются.
Почему это важно для материаловедов? Изменение оптических, физических и химических характеристик на наноуровне позволяет применять материал в новых приложениях.
Применение новых материалов, возникающих благодаря нанотехнологиям
Например, солнечное излучение более эффективно поглощается фотоэлектрической (PV) панелью со встроенными наночастицами кремния. Фотоэлектрические элементы в солнечной панели могут терять световую энергию и, следовательно, эффективность, поскольку свет отражается от поверхности ячеек.
Наноструктуры, образованные наночастицами, по определению имеют размер около 100 мкм или меньше. Ученые могут адаптировать эту структуру для уменьшения отражательной способности материала. В результате поступающее солнечное излучение направляется в клетки, которые преобразуют фотоны в электричество с минимальным отражением, тем самым обеспечивая максимальную эффективность.
Нанотехнологии также можно применять к легким сплавам посредством нанесения поверхностных покрытий. Поверхностные покрытия могут изменить поведение материала, например, повысив его твердость или устойчивость к коррозии. Существуют нанопокрытия, которые наносят на подложку покрытия толщиной в несколько сотен нанометров. В зависимости от покрытия могут быть достигнуты такие характеристики и свойства, как устойчивость к коррозии, самоочистка, антибактериальные и противовирусные свойства, защита от царапин, защита от запотевания и даже водоотталкивающие свойства.
Наночастицы также внедряются в традиционные технологии нанесения покрытий. Это не нанопокрытия как таковые, а технологии покрытия поверхности, которые включают наночастицы для изменения свойств покрытия, создавая тем самым новые возможности для добавления новых характеристик покрытиям.
