Наноматериалы и нанотехнологии

Лекция №19

Нанотехнология в последние годы стала одной из наиболее важных и захватыва­ющих областей знаний на переднем крае физики, химии, биологии, технических наук. Она подает большие надежды на скорые прорывы и новые направления в технологическом развитии во многих сферах деятельности. Для облегчения и ускорения широкомасштабного использования этого нового подхода важно иметь общие представления и некоторые конкретные знания, которые с одной стороны были бы достаточно подробными и глубокими для обстоятельного охва­та темы, и в то же время достаточно доступными и законченными, чтобы быть по­лезными широкому кругу специалистов, желающих больше узнать о существе вопро­са и перспективах в этой области.

Текущий широкий интерес к нанотехнологии восходит к 1996 - 1998 годам, когда правительственная комиссия при содействии Центра Оценки Мировых Технологий (World Тесhno1оgу Еvaluation Сепtег) (WТЕС), финансируемая Нацио­нальным Фондом Науки США и другими федеральными агентствами, предпри­няла изучение мирового опыта исследований и разработок в области нанотехно­логии с целью оценки их технологического инновационного потенциала. Нано­технология базируется на понимании того, что частицы размером менее 100 нанометров (нанометр это одна миллиардная доля метра) придают сделанным из них материалам новые свойства и поведение. Это происходит вследствие того, что объекты с размерами менее характерной длины (которая обусловлена природой конкретного явления) часто демонстрируют другую физику и химию, что приво­дит к так называемым размерным эффектам - новому поведению, зависящему от размера частиц. Так, например, наблюдались изменения электронной структуры, проводимости, реакционной способности, температуры плавления и механичес­ких характеристик при размерах частиц менее критических. Зависимость поведе­ния от размеров частиц позволяет конструировать материалы с новыми свойства­ми из тех же исходных атомов.

По заключению WTЕС эта технология имеет громадный потенциал для ис­пользования в чрезвычайно большом и разнообразном множестве практических областей - от производства более прочных и легких конструкционных материалов до уменьшения времени доставки наноструктурированных лекарств в кровенос­ную систему, увеличения емкости магнитных носителей и создания триггеров для быстрых компьютеров. Рекомендации, данные этим и последующими комитета­ми, привели к ассигнованию очень больших средств на развитие нанонауки и на­нотехнологии в последние годы. Междисциплинарные исследования охватили широкий круг тем - от химии катализа наночастицами до физики лазеров на квантовых точках. В результате для того, чтобы оценить наиболее общие перспек­тивы и последствия развития нанотехнологии и сделать свой вклад на этом новом захватывающем поле деятельности было осознано, что исследователям необходимо периодически выходить за пределы их узкопрофессиональной области зна­ний. Технические менеджеры, эксперты и те, кто принимают финансовые реше­ния, должны разбираться в очень широком круге дисциплин.

Нанотехнология стала рассматриваться не только как одна из наиболее многообещающих ветвей высокой технологии, но и как системообразующий фактор экономики 21-го века – экономики, основанной на знаниях, а не использовании природных ресурсов или их переработки. Помимо того, что нанотехнология стимулирует развитие новой парадигмы всей производственной деятельности («снизу-вверх» - от отдельных атомов – к изделию, а не «сврху-вниз», как в радиционной технологии, в которых изделие получают путём отсечения излишнего материала от более массивной заготовки), она сама является источником новых подходов к повышению уровня жизни и решению многих социальных проблем в постиндустриальном обществе. ПО мнению большинства экспертов в области научно-технической политики и инвестирования средств, начавшаяся нанотехнологическая революция охватит все жизненно важные сферы деятельности человека (от освоения космоса – до медицины, от национальной безопасности – до экологии и сельского хозяйства), а её последствия будут обширнее и глубже, чем компъютерные революции последней трети 20-го века. Всё это стаит задачи и вопросы не только в научно-технической сфере, но и перед администраторами различного уровня, потенциальными инвесторами, сферой образования, органами гос. управления и т.д.

В последние годы появляются достаточное количество публикаций, посвящённых вопросам теории, свойствам и практическому применению наноматериалов и нанотехнологии. В частности, широко представлена эта тема в книге авторов Ч. Пула и мл.Ф. Оуэнса «Нанотехнологии», пер. с англ., 2-е,дополненное издание, изд. «Техносфера», М.,2006г.,335с. Авторы отмечают,что хотя эта книга пер­воначально планировалась как введение в нанотехнологию, из-за самой природы этой науки она превратилась во введение в отдельные области нанотехнологии, которые, по-видимому, являются ее типичными представителями. Из-за высо­кой скорости развития и междисциплинарной природы невозможно дать дейст­вительно всеобъемлющее изложение предмета. Представленные темы отбира­лись исходя из достигнутой глубины понимания вопроса, объема их потенциаль­ных или уже существующих применений в технике. Во многих главах обсуждаются нынешние и будущие возможности. Для тех, кто желает узнать больше о конкретных областях, в которых развивается эта технология, даны ссылки на литературу.

Авторы попытались дать введение в предмет нанотехнологии, написанный на та­ком уровне, чтобы исследователи в разных областях смогли оценить развитие об­ласти вне пределов их профессиональных интересов, а технические руководите­ли и менеджеры - получить обзор предмета. Возможно, эту книгу можно исполь­зовать как основу для университетского курса по нанотехнологии. Многие главы содержат введения в физические и химические принципы, лежащие в основе об­суждаемых областей. Таким образом, многие главы самодостаточны и могут изу­чаться независимо друг от друга. Так, глава 2 начинается с краткого обзора свойств объемных материалов, необходимого для понимания того, как и почему меняются свойства материалов при приближении размеров их структурных еди­ниц к нанометру. Важным стимулом к столь быстрому развитию нанотехнологии явилось создание новых инструментов (таких как сканирующий туннельный ми­кроскоп), которые позволили увидеть особенности нанометровых размеров на поверхности материалов. Поэтому в главе 3 описаны важнейшие инструменталь­ные системы и даны иллюстрации измерений в наноматериалах. Остальные гла­вы рассматривают другие аспекты проблемы. В книге охвачен весьма широкий круг проблем и тем: эффекты, связанные с размерами и размерностью объектов нанонауки и технологии, магнитные, электрические и оптические свойства наноструктурированных материалов, методы их получе­ния и исследования, самосборка и катализ в наноструктурах, нанобиотехнология, интегрированные наноэлектромеханические устройства, фуллериты, нанотрубки и многое другое. Описан ряд современных методов исследования и аттес­тации наноструктур и нанообъектов: электронная и ионно-полевая микроскопия, оптическая, рентгеновская и магнитная спектроскопия.

Вместе с тем очевидны и пробелы в структуре и содержании отдельных разде­лов. Так, почти полностью отсутствуют сведения о наноэлектронике, спинтронике, новых идеях в отношении квантовых вычислений и компьютеров. О боль­шинстве из них нет даже упоминания. Совершенно недостаточно уделено внима­ние чрезвычайно мощным и распространенным зондовым сканирующим методам исследования, аттестации, литографии и атомно-молекулярного дизай­на. Крошечный параграф, посвященный этим вопросам, совершенно не пропор­ционален роли и месту зондовой нанотехнологии. Весьма скромное место отве­дено слабой сверхпроводимости и очень перспективным устройствам на ее осно­ве. Скупо представлены пленки и гетероструктуры, играющие важную роль в современной планарной электронике, сверхтвердые и износостойкие покрытия и др. Как следствие, отсутствуют материалы, освещающие способы аттестации этих структур, в частности, характеризацию механических свойств тонких слоев и нанообъемов методами локального силового нанотестинга (наноиндентирова-ние, наноскрабирование и т.п.).

Отметим также, что нигде не приводится систематизация объектов и процес­сов нанотехнологии, вследствие чего неискушенному читателю остается неяс­ным, с какой же частью предмета ему удастся познакомиться, прочитав эту книгу.

Несмотря на отмеченные выше недочёты, в целом, книгу можно признать полезной для широкого круга читателей, включая студентов физических, химических и материаловедческих специальнос­тей. Последнее тем более актуально, что учебная литература по нанотехнологии на русском языке практически полностью отсутствует, а потребность в ней — ве­лика в связи с начавшейся с 2003 года подготовкой специалистов по наноматериалам и наноэлектронике в 12 российских ВУЗах.

Не со всеми представлениями и интерпретациями авторов можно согласить­ся безоговорочно. Однако, чтобы не загромождать текст большим количеством комментариев, дополнений и критических замечаний, при переводе и редакти­ровании устранены лишь очевидные ошибки, несоответствия и опечатки.

За время написания книги и ее переиздания на русском языке вышло много полезных книг, часть из которых перечислена ниже. По ним заинтересованный читатель может ознакомиться с отдельными разделами и панорамой нанотехно­логии в целом более глубоко.