Введение в нанотехнологию

Определение нанотехнологии

В конце XX столетия появился термин «наноструктурные материалы». К ним принято относить обычно кристаллические материалы, имеющие средний размер зерен менее 100 нм.

Все современные материалы, используемые в промышленности, имеют весьма существенный недостаток — их структура неоднородна, зерна имеют большое количество дефектов, их размеры имеют широкий диапазон, в результате чего физико-механические характеристики таких материалов весьма ограничены.

Практически всегда материаловеды старались получить материалы, имеющие однородную мелкозернистую структуру, что позволяло значительно повысить эксплуатационные свойства материалов. Такие структуры можно получить, например, методами холодной прокатки. Кроме того, при нанесении покрытий, изготовлении красок, пигментов, кремов, цементных порошков и др. необходимы мелкодисперсные порошки, имеющие как можно меньшие размеры фракций (микропорошки, ультратонкие порошки, ультрадисперсные порошки).

Так, например, в течение многих десятилетий при изготовлении клинков (шашек, сабель и т. д.) собирались пакеты из тонких пластинок различных по свойствам сталей, которые методом ковки и сварки формировались в лезвие. Количество слоев составляло от 100 до нескольких тысяч. В результате получалась уникальная мелкозернистая структура стали, с размером зерен менее 100 нм. Это позволяло боевому концу лезвия иметь твердость до 55 HRC и использоваться для нанесения колющих ударов, средняя часть имела твердость 45 HRC и использовалась для разрубания противника, и часть, близкая к эфесу, имела твердость до 48 HRC и использовалась для отражения ударов других клинков. Изготавливались клинки, которые можно было незаметно обернуть вокруг пояса. При распрямлении они сохраняли свои упругие и прочностные свойства.

Примером также могут быть чернила, которые изготавливались путем растирания до микропорошка и растворения сажи в воде, которая не выпадала в осадок. Такие чернила появились более четырех тысяч лет назад.

Первым в России «официально зарегистрированным» специалистом в области нанотехнологий был Левша из одноименного рассказа Н. С. Лескова, написанного в 1881 году. Его мастеровые на подковах, которыми подковали блоху, сделали надписи своих имен, которые можно было увидеть только через микроскоп с увеличением 5 млн. Имени Левши на подковах не было, т.к. он ковал гвозди, которые ни через какой микроскоп невозможно было увидеть.

В наше время неоднократно проводились опыты, в том числе и в космосе, по созданию материалов с идеальной кристаллической решеткой (выращивание кристаллов, усов, волокон и др., изготовление пленок, покрытий, серийно выпускаются объемные изделия, полученные методами порошковой металлургии).

Таким образом, «нанотехнологии» давно присутствовали в науке и производстве, но не было инструмента (туннельного микроскопа), который бы позволял производить измерения и технологические действия с нанообъектами.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 года, когда Ричард Фейнман, профессор Калифорнийского университета, прочитал лекцию перед американским физическим обществом «There is plenty of room at the bottom», где отмстил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.

Термин «нанотехнологии» был впервые использован японским ученым К. Танигучи в 1974 году при обсуждении особенностей обработки хрупких материалов.

Ученым Г. Глейтером в 1981 году был предложен метод получения объемных наноматериалов, заключающийся в том, что первоначально создавались ультрадисперсные порошки, которые затем спекались под высоким давлением.

Широкий интерес, который проявляется к наноматериалам в последнее время, обусловлен, по крайней мере, тремя обстоятельствами.

Во-первых, методы нанотехнологии позволяют получить принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среди, обороны и т. д.

Во-вторых, нанотехнология оказалась весьма широким направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии.

медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники, экономики, социологии и др.

В-трстьих, решение проблем нанотехнологии выявило много пробелов, как в фундаментальных, так и в технологических знаниях, что опять-таки способствовало концентрации внимания научно-инженерного сообщества в этом направлении.

Получение наноструктур открывает широкие возможности. Теоретически из отдельных атомов и молекул можно «собирать» готовые изделия, обладающие заранее заданными свойствами. Нанотехнологии позволяют получать новые материалы, которые по своим физико-механическим характеристикам во много раз превосходят современные материалы. Это даст резкий толчок в развитии многих направлений науки и техники, будут открыты новые законы, ликвидированы противоречия и «белые пятна» в имеющихся знаниях. При этом повышается роль сотрудничества специалистов разных направлений: биологов, химиков, физиков, технологов и др.

В настоящее время существует два способа получения наноматериалов. Первый, «снизу вверх» (bottom-up approach), состоит из этапа получения нанопорошков с последующим их компактированием в объемный материал. Второй — «сверху вниз» (top-down approach) — основан на получении наноструктур в трехмерных заготовках путем их измельчения методами многократной пластической деформации.

Работы по исследованию и созданию наноструктурных материалов развернуты во многих странах, в том числе на уровне национальных программ. Исследования проходят на стыке механики, физики и химии твердого тела, материаловедения и технологии обработки материалов.

Существует следующая классификация наноматериалов:

• 1. Консолидированные — материалы, получаемые методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации, а также нанесения пленок и покрытий. Такие материалы имеют высокую прочность.
• 2. Нанополимеры, нанобиоматериалы, нанополупроводники могут быть как в консолидированном, в изолированном, так и в смешанном состоянии.
• 3. Фуллерены и тубулярные наноструктуры, первый из которых, кластер С^, был открыт в 1985 году. Кластеры — это соединения, в которых несколько атомов металла соединены в «гроздь», т.с. связаны друг с другом химической связью.
• 4. Нанопористые материалы — имеющие поры размером от 2 до 100 нм.
• 5. Катализаторы.
• 6. Супрамолекулярные структуры, получаемые в результате нековалентного синтеза с образованием слабых связей между молекулами.

Все эти материалы имеют различную структуру, свойства, технологии изготовления. Понятно, что материаловедческие и технологические разработки, позволяющие за счет создания наноструктур варьировать физико-механические и физико-химические свойства и уменьшить габариты изделий, играют в создании микрои наноэлектромеханических систем большую роль.

Самые доступные на сегодня направления развития нанотехнологий:

• 1. Создание материалов и готовых изделий с заранее заданными свойствами, в несколько раз превосходящими физико-механические характеристики современных материалов.
• 2. Создание процессоров с высокой производительностью и малым потреблением энергии.
• 3. Создание ячеек памяти с неограниченным объемом.
• 4. Разработка новых лекарственных препаратов направленного действия с обеспечением адресной доставки к больным органам.
• 5. Создание нанодатчиков, позволяющих одновременно оценивать большое количество изменяющихся параметров контролируемого объекта.

Что делают сейчас

Что будут делать.

В настоящее время мы являемся свидетелями формирования и развития новой междисциплинарной области знаний — нанотехнологии. Термин «нанотехнология» объединяет разнородные представления и подходы, а также разные методы воздействия на вещество. Название новой науки возникло в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано», означающей уменьшение масштаба в 1 миллиард раз, т. е. 1 нанометр равен 10^-9 м. Насколько это мало, можно судить на примере атома водорода, диаметр которого равен 1 ангстрему (1 А), что составляет 0.1 нм.

К наноуровеню относятся объекты субмикронного размера 1−100 нм. [10].

Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометроном масштабе, т. е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. Нанотехнология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной (точнее надмолекулярной) организацией. Такие наноструктуры, построенные «из первых принципов», с использованием атомно-молекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерии.

Нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология — созданием наноструктур, наноинженерия — поиском эффективных методов использования наноструктур.

Место нанообъектов и наноструктур в шкале характерных размеров и времен оперирования показано на рис. 1.1.1 [3].