CC BY
18
Еще в начале 50-х гг. прошлого века в Беларуси проводились исследования мелкодисперсных материалов, которые в последние годы получили столь популярное название «наноматериалы». Развивается ли это необычайно перспективное направление в стенах академических учреждений? Какими уникальными свойствами обладают новые материалы? С этими вопросами мы обратились к директору Научно-инженерного центра «Плазмотег» Физико-технического института Национальной академии наук Беларуси, члену-корреспонденту Эдуарду Точицкому.
Мир новых материалов с приставкой «нано»
Особые качества наноматериалов обусловлены тем, что превалирующую роль в них играют не объемные, а поверхностные свойства. Последние определяют многие показатели, например, трения, износа, катализа. В настоящее время структуру поверхности металлов, полупроводников, высокотемпературных сверхпроводников, органических молекул, вирусов, а также биологических объектов можно исследовать с помощью атомно-силовых и сканирующих микроскопов, а также используя метод просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Кроме того, современные сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы можно применять и для конструирования наноструктурных элементов интегральных схем наноэлектроники.
Как известно, из углерода могут состоять два разных вещества, обладающие различными свойствами, — мягкий электропроводящий графит и сверхтвердый диэлектрик — алмаз. Однако в 1985 г. была обнаружена новая форма углерода — фуллерены. Оказалось, что углерод может образовать устойчивую высокосимметричную молекулу, состоящую из 60 атомов ^^ диаметром приблизительно в несколько ангстрем и по форме напоминающую футбольный мяч. Высокая активность исследований в новой области химии наноматериалов привела к тому, что уже в 1997 г. было синтезировано свыше 9 тыс. фуллереновых соединений. Работы по созданию большого количества фуллеренов различного типа С60, С70, С80 были продолжены, и сегодня мы можем утверждать, что они открыли для нас целый мир новых наноматериалов с удивительными свойствами.
В процессе синтеза фуллеренов была обнаружена новая фаза углерода, названная нанотрубками. Фактически это непрерывно
растущие вдоль одной оси фуллерены, достигающие длины многих нанометров. Проблема создания технологий, которые помогут производить нанотрубки в достаточном количестве, еще не решена полностью, но уже определены возможные применения этого углеродного материала. Среди уникальных свойств нанотрубок — сверхпроводимость и чрезвычайная прочность: они на 2 порядка прочнее стали и в 4 раза легче ее. В Америке, к примеру, разрабатывается проект космического лифта, где в качестве каната будет использован материал из нанотрубок. Основу новых конструкций плоских акустических систем и дисплеев высокого разрешения, то есть привычных для нас макроскопических приборов, также могут составлять именно нанотрубки. Параллельно развиваются нано-технологии, позволяющие формировать нано- и микроразмерные элементы структур и приборов, из которых можно создать определенные устройства микроэлектромеханических систем, например нанодвигатели, наноманипуляторы, молекулярные насосы, высокоплотная память, элементы механизмов нанороботов, лаборатории на чипе, позволяющие исследовать ДНК, и другие.
НАНОПЛЕНКИ
В Научно-инженерном центре мы изучаем еще один наноструктур-ный углеродный материал — алмазоподобный углерод, который получаем в виде тонких пленок. Он характеризуется высокими механическими свойствами, порой превосходящими таковые у природного алмаза, но имеет квазиаморфную наноструктуру. Алмазная структура нанообластей данного материала размерами 5—50 нанометров окружена разориентированным углеродом, где превалируют графитовые атомные связи. На основании алмазоподобных углеродных пленок мы получили новый удивительный наноматериал, состоящий
Рис. 1. Алмазоподобное покрытие служит для упрочнения рабочих поверхностей инструмента
Рис. 2. Корпуса искусственных клапанов сердца с алмазоподобными биосовместимыми покрытиями
из 85 % углерода и 15 % меди. Известно, что углерод и медь не вступают в реакцию и не растворяются друг в друге, но в нашем материале наночастицы меди размерами 5—20 нанометров равномерно распределены в углеродной матрице, которая также является нано-структурной. Эти пленки обладают электропроводностью на уровне массивного металла (например никеля), но твердостью в 10 раз выше его. На наш взгляд, данный материал может стать «новым словом» в промышленности при использовании, в первую очередь, для всевозможных износостойких контактов.
Сейчас мы исследуем различные свойства этих алмазоподобных пленок и разрабатываем технологии их получения. Чтобы подтвердить научные результаты, мы отправили образцы многослойных алмазоподобных и карбидных покрытий в ведущие лаборатории мира (США, Англии, Германии, Польши и Украины). Польские ученые засвидетельствовали сверхвысокую твердость наших образцов: алмазоподобные пленки микронной толщины, нанесенные на пластинки из карбида и вольфрама, имеют микротвердость в 1,5 — 2 раза выше, чем у алмаза. В настоящее время эти данные проверяются в других странах. Надеюсь, скоро мы сможем утверждать, что в Беларуси создан самый твердый наноматериал.
ДОБИТЬСЯ ВНЕДРЕНИЯ
Хотя исследовать алмазоподобные пленки мы начали более 15 лет назад, в промышленности они только-только начинают использоваться. Во многом это связано с тем, что белорусские инженеры, во-первых, мало знакомы с данным материалом и, во-вторых, с большой осторожностью относятся ко всему новому, особенно, если речь идет о переоборудовании предприятий.
Алмазоподобные пленки могут с успехом использоваться в качестве покрытий, к примеру, в такой области, как машиностроение. Во многих случаях работает не сама деталь, ее объем, а только поверхность, которая является наиболее уязвимой, так как быстрее изнашивается. Поэтому мы предложили свой вариант, более простой и доступный: не штамповать прочные дорогостоящие детали из легированной стали, а делать их из обычной дешевой, но зато покрывать сверхтвердым материалом. И не обязательно алмазоподобным, это могут быть карбиды или нитриды, но твердость их в любом случае в 10 раз выше, чем стали. Алмазоподоб-ные пленки можно наносить на режущие инструменты и штампы, что позволит значительно увеличить срок их службы.
Новый наноматериал позволяет с успехом решать сложные проблемы, связанные с точностью измерительного инструментария, где разница в соответствии качественной и бракованной детали порой составляет 5—10 микрон. Для эксперимента алмазоподоб-ной пленкой 0,2—0,3 микрона покрывались измерительные скобы, резьбовые пробки и т.д. Последующее тестирование выявило, что срок их службы увеличился в 10 раз, при этом отпала необходимость ежедневного прецизионного контроля инструмента. Мы предложили свою разработку белорусским заводам, но оказалось, для того чтобы внедрить новую технологию, необходимо уменьшать размеры заводского оборудования, количество изготавливаемого инструмента, кроме того, сократить рабочие места. В результате от внедрения революционных методов отечественные
Рис. 3. Уникальный вакуумно-дуговой источник плазмы ЭПИТРОН-С-М, предназначенный для нанесения вакуумно-плазменных алмазоподобных углеродных или металлических пленок и покрытий
20
НАУКА И ИННОВАЦИИ №7(41)_2006
предприятия отказались. Скорее всего, они пока не готовы шагнуть столь смело навстречу прогрессу.
НАНОСИСТЕМЫ
Наиболее успешно нанотехнологии развиваются сейчас в двух направлениях — наноэлектроника и микроэлектромеханика. Уже сейчас есть установки лабораторного типа (хотя и не в Беларуси), на которых конструируют структуры, присоединяя отдельные атомы. Мы стараемся не отстать от мировых достижений. Пытаемся, с одной стороны, используя новые методы, синтезировать схемы: манипулируя на уровне атомов, создаем новые элементы и структуры. С другой стороны, чтобы достигнуть наноуровня, просто используем традиционный метод уменьшения существующих размеров элементов чипов.
Перспективное направление современной науки — микроэлектромеханические системы. Ученые работают над созданием микророботов. Используя наработанные в микроэлектронике высоконаучные технологии и добавляя новые, предполагается создать робот-чип размером 0,10 мм, который можно будет запустить даже в организм человека для очистки сосудов и точечного дозированного введения лекарств. Технически это пока не осуществлено, но теоретически — возможно. Наука развивается очень быстро. В скором времени сочетание достижений микроэлектроники и микромеханики даст удивительные разработки, которые человечество сегодня даже не может представить.
НАНОМЕДИЦИНА
Правительством Беларуси утверждена государственная комплексная программа научных исследований «Наноматериалы и нанотехноло-
Первая отечественная комплексная система для функциональной диагностики, профилактики и ортопедической коррекции патологии стоп. Главное здесь — начинка: чувствительные датчики давления, фиксирующие распределение нагрузки на стопу. Учеными НИЦ «Плазмотех» разработаны функциональные элементы датчиков давления (система успешно апробирована на кафедре ортопедии и военно-полевой хирургии Гродненского государственного медицинского университета)
гии». В рамках раздела «Наноэлектроника» сотрудники Научно-инженерного центра «Плазмотег» работают над созданием различного типа датчиков и сенсорных устройств в интегральном исполнении, устанавливающих температуру, давление, биологические характеристики крови и др. Надеемся, что в дальнейшем не будет проблем с определением биосостояния среды любого помещения, поскольку поиск наличия различных микробов будут осуществлять новые датчики, разрабатываемые нами совместно с коллегами из БГУ. Пока их размеры еще «велики» — соизмеримы с несколькими миллиметрами, но в дальнейшем, по мере развития нанотехнологий, они будут уменьшены. Это перспективное направление, кстати, поддержали сейчас наши российские коллеги, инициировавшие новую союзную программу «Белмедтехника».
В современном мире уже прочно обосновалось понятие «на-номедицина». В этом направлении у нас есть довольно много наработок, апробированных на практике. Упомянутые выше ал-мазоподобные пленки очень хорошо зарекомендовали себя в качестве биосовместимых покрытий: мы предложили и применили технологию покрытия алмазоподобными пленками деталей искусственных клапанов сердца. В результате инородный материал не отторгается организмом человека. Более того, как оказалось, эти алмазоподобные пленки не только биосовместимы, но и тром-борезистентны — не приводят к образованию тромбов, которые могут спровоцировать обычные имплантаты. Уже полторы тысячи людей в Беларуси живут с такими усовершенствованными искусственными клапанами сердца.
Надо сказать, что уникальность алмазоподобных пленок до конца еще не раскрыта. Так, медики недавно обнаружили новое свойство этого наноматериала. Неоднократно в прессе появлялись публикации о золотистом бактериофаге — стафилококке, который смог настолько себя изменить, что на него уже не действовали антибиотики. Медики Лондонского ортопедического госпиталя установили, что алмазоподобные углеродные покрытия на имплантатах способны уничтожить золотистый стафилококк.
В этом году учеными Научно-инженерного центра «Плазмотег» совместно с Институтом ортопедии и травматологии и концерном «Белмедтехника» начат новый проект: решается проблема биосовместимости для имплантатов позвоночника. Иначе говоря, исследуется возможность нанесения алмазоподобных покрытий на ортопедические имплантаты сложной формы для повышения их вживляемости и предотвращения воспалительных процессов.
Плазменный генератор и технологии, которые позволяют получать алмазоподобные пленки из дуговых импульсных потоков плазмы в вакууме,— это наше ноу-хау, не имеющее мировых аналогов. Кроме того, разработано еще одно интересное устройство — генератор импульсной плазмы, включающий 19 катодов. Надеемся с его помощью получать уникальные, сотоящие из l9 компонентов наноматериалы. Используя существующие разработки в области нанотехнологий, мы сможем решать самые смелые задачи.
Снежана МИХАЙЛОВСКАЯ
