Что вы знаете о нанотехнологиях? Как нанотехнологии могут влиять на качество жизни?
Технологический прогресс во всём мире направлен в сторону разработки машин, устройств, технических систем размером с молекулу. Разработкой, созданием и управлением такими устройствами занимается нанотехнология. Нанотехнологии — это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность создавать и модифицировать объекты с размерами менее 100 нм [нанометров] (1 нм = 10–9 м; атомы, молекулы). При помощи нанотехнологий изготовляют наноматериалы, а в будущем, возможно, будут производить и нанотехнику.
История нанотехнологий начинается в 1959 году с доклада нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана, предложившего метод поатомной (помолекулярной) сборки. Главная идея такой сборки состоит в изготовлении деталей из элементарных «кирпичиков» вещества — атомов или молекул. Такой путь производства отличается от принятого в настоящее время, когда детали получают из естественных, природных материалов путем отделения от заготовок избыточного материала.
Приставка «нано» (от греч. nanos — «карлик») означает миллиардную (10-9) долю чего-либо; нанометр — это миллиардная часть метра, или тысячная часть микрометра. Этот термин был предложен в 1974 г. японским физиком Норио Танигучи. Так он назвал производство изделий размером в несколько нанометров. Нанометр сопоставим с размером молекулы. Для сравнения: тонкий человеческий волос имеет толщину около 50 000 нм.
На сегодняшний день нанотехнологии делят на три направления:
сборка из отдельных атомов любых веществ и объектов;
изготовление электронных схем размером до нескольких атомов;
создание наномашин (механизмов размером в несколько атомов).
Несмотря на то что история нанотехнологий насчитывает уже полвека, реальное их применение стало возможно только в последнее десятилетие. Особенно большие успехи достигнуты в области создания наноматериалов, которые обладают качественно новыми свойствами, в том числе искусственно заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Наноматериал— это материал, содержащий микроскопические искусственно синтезированные структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм. Благодаря этому физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, химические и другие свойства наноматериалов радикально отличаются от обычных свойств макроскопических материалов. Поэтому нанопорошки, нанопленки, нанопокрытия и другие нанопродукты по своим качествам сильно отличаются от свойств веществ, из которых они получены.
Самым известным наноматериалом является фуллерен — открытая в 1985 году новая кристаллическая модификация углерода (ранее известные его модификации — графит и алмаз). Молекула фуллерена содержит от 36 до 540 атомов углерода. Получают фуллерены из сажи от сжигания графита.
Рассмотрим строение наиболее изученного фуллерена С60, молекула которого состоит из 60 атомов углерода (см. рис.1. а). Этот фуллерен представляет собой сферу, образованную 20 шестиугольниками и 12 пятиугольниками (как футбольный мяч), в вершинах которых находятся атомы углерода. Диаметр такой молекулы 0,7 нм. В центре сферы имеется свободное, не занятое атомами пространство. В него можно ввести другие атомы и молекулы, например лекарства, и транспортировать их в этой оболочке к нужному месту в организме.
Рис.1. Наномолекулы: а — фуллерен С60; б — удлиненный фуллерен С70; в — нанотрубка
Если в «углеродный шарик» — фуллерен Сб0 — вставить «поясок» из 10 атомов, получится новая, слегка удлиненная молекула — С70 (см. рис.1. б). Изучение фуллеренов привело исследователей к созданию нанотрубок, поверхность которых образуется правильными углеродными шестиугольниками (см. рис. 1.в). Эти трубки-молекулы, длиной до миллиметра и диаметром в несколько нанометров, могут в зависимости от условий получения быть прямыми или спиральными, состоять из одного или нескольких слоев (вложенных друг в друга трубок), иметь открытые или закрытые концы, содержать до миллиона атомов — C1 000 000.
Углеродные нанотрубки обладают очень высокой прочностью — в 50-100 раз прочнее стали (при плотности, в б раз меньшей, чем у стали). Нити нанотрубок не боятся высоких температур, могут выдерживать действие вакуума и химических реагентов. Подобная нить диаметром 1 мм может выдержать груз в 20 т. Используя нанотрубки в качестве осей и надев на них колеса-фуллерены, удалось изготовить прообраз нанотехники — наномобиль, передвигающийся по поверхности кристаллов.
Интересно, что при введении молекулы фуллерена внутрь нанотрубки свойства последней кардинально меняются. В зависимости от расположения фуллерена в наногрубке (в центре, ближе к краю и т. д.) система может проявлять свойства проводника, полупроводника или диэлектрика. В будущем это может стать основой для создания сверхминиатюрных компьютеров, построенных на транзисторах размером в единицы нанометров и скоростью переключения состояния 10 пикосекунд (1 пкс = 10-12 с). Применение нанотрубок в будущем позволит изготовить мониторы с размером пикселя порядка микрометра и электрические провода, способные передавать огромные токи, — 107 А/см2.
Широкое применение в нанотехнологиях нашли специальные сканирующие зондовые тунельные микроскопы (СЗМ), позволяющие «увидеть» нанообъект. Работа этих микроскопов основана на измерении магнитных, электрических и других сил, возникающих между атомами. Микроскопы СЗМ производят измерения при помощи иглы (с острием размером в один атом), которой «ощупывают» поверхность материала. Компьютер анализирует перемещения иглы и строит на экране картинку, изображающую рельеф поверхности. Таким образом можно видеть атомы и молекулы.
Современные СЗМ умеют измерять не только линейные размеры объектов, но также их магнитные и электрические свойства, твердость, состав и другие характеристики материалов в нанометровых объемах.
На базе СЗМ созданы технологии манипулирования отдельными атомами. С помощью иглы микроскопа можно опознать атом, переместить его на другое место (фигура на рис. 2 собрана из атомов). Располагая атомы на поверхности детали тем или иным образом, можно придавать ей нужные свойства.
Рис. 2. Искусственный «орнамент» из атомов
Предполагается, что наиболее полно нанотехнологии будут реализованы при использовании специальных наномашин — ассемблеров. Ассемблер — это своеобразный сборщик атомов и молекул. Он должен захватывать их, соединять между собой и с базовой поверхностью, а также выполнять другие манипуляции в соответствии с заданным алгоритмом.
Внешне такой ассемблер можно представить себе в виде паука нанометрового размера с несколькими «руками»-манипуляторами длиной в сотню атомов. В теле этого «паука» должны размещаться устройства, управляющие работой манипулятора и содержащие программу всех его действий. Одними «лапами» он будет держаться за поверхность, а другими — атом за атомом складывать сложные молекулярные структуры или устройства из «наноблоков».
Примечательно, что ассемблеры будут обладать способностью к размножению, т. е. смогут копировать себя, создавая себе подобных. Управлять ассемблерами будет человек — оператор, моделирующий на компьютере требуемую молекулярную структуру.
На первый взгляд, создание наномашин кажется научной фантастикой, однако такие машины превосходно функционируют уже тысячи лет. Примером может служить механизм синтеза белка в живом организме, осуществляемый рибосомами с помощью молекул РНК по программе, взятой из ДНК.
Нанотехнологии успешно развиваются во многих странах мира, в том числе в России: в промышленности, исследованиях космоса, энергетике, сельском хозяйстве, строительстве, медицине. Перспективы применения нанотехнологийпоражают воображение. Перечислим некоторые из них. Нанотехнологии позволят:
заменить традиционные методы производства изделий их наносборкой непосредственно из атомов и молекул;
создать молекулярных роботов-врачей, которые будут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения;
изготовлять продукты питания при помощи ассемблеров, которые будут воспроизводить те же химические процессы, что и в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, получение молока из травы, минуя корову! Такое производство, не зависящее от погодных условий и не нуждающееся в тяжелом физическом труде, решит продовольственную проблему;
осуществить фантастическую идею «космического лифта» из нанотрубок (представьте себе канат, соединяющий землю с космическим аппаратом, по которому скользит лифтовая кабина);
устранить вредное влияние человека на окружающую среду за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологии полного разложения существующих отходов с помощью дизассемблеров. — наноустройств, разбирающих вещество на атомы;
перейти от двумерной технологии изготовления процессоров к трехмерной технологии и добиться размещения 1012 логических элементов в 1 см3. Другими словами, разместить процессор Intel Pentium II в кубе с ребром 100 нм.
В настоящее время наноматериалы используются для изготовления:
• нанопокрытий металлов, резко увеличивающих их твёрдость;
• упрочнённых наночастицами полимеров в автомобилях
• нелиняющих красителей для текстильной промышленности;
• лекарственных препаратов, биосовместимой ткани для трансплантации;
• материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды.
Применяют новые технологии получения химических волокон с особыми свойствами.
Основными направлениями совершенствования технологий производства волокон бытового назначения являются улучшение потребительских свойств волокон из традиционных волокно-образующих полимеров за счёт применения инновационных технологических методов, а также повышение экологичности и экономичности технологических процессов получения ранее разработанных искусственных и синтетических волокон.
1. Интенсивно развиваются исследования в области производства синтетических волокон, наполненных наночастицами оксидов металлов: ТiO2, Al2O3, ZnO, MgО. В результате волокна приобретают новые свойства: фотокаталитическую активность (самоочистка материала); УФ-защиту; антимикробные свойства; электропроводность; грязеотталкивающие свойства; фотоокислительную способность в различных химических и биологических условиях.
2. Ещё одним интересным направлением в производстве нановолокон является придание им ячеистой (пористой) структуры с наноразмерными порами. При этом достигается резкое снижение удельной массы (получение лёгких материалов), хорошая теплоизоляция, устойчивость к растрескиванию. Образующиеся нанопоры волокон могут быть заполнены различными жидкими, твёрдыми и даже газообразными веществами с различным функциональным назначением (медицина, ароматизация текстильных полотен, биологическая защита).
3. Другой тип нановолокон — ультратонкие волокна, диаметр которых не превышает 100 нм. Такая толщина волокна обеспечивает высокое значение удельной поверхности и, как следствие, высокое удельное содержание функциональных групп. Последнее обеспечивает хорошую сорбционную способность (способность поглощения одного вещества другим вне зависимости от механизма поглощения) и каталитическую активность материалов из подобных волокон. Синтетические белковые волокна, имитирующие структуру паутины, применяются в медицине как хирургические нити, а в военном деле из них изготавливают невесомые, но очень прочные бронежилеты.
Полезная информация
Учёные из Томского политехнического университета разработали медицинский препарат на основе наночастиц серебра, который обладает универсальным действием на вирусы, бактерии и грибки. Его можно применять в качестве вспомогательного средства при лечении гриппа и ОРВИ.
В области современных технологий востребованы специалисты следующих профессий: инженер по лазерной технике и лазерным технологиям, нанотехнолог.
