CC BY
159
доктор технических наук, заведующий отделом Институт а физико-технических проблем Севера СО РАН.
г
Современная наука развивается, все дальше заглядывая и в глубь материи, и в бесконечные пространства Вселенной. Некоторые понятия переосмысливаются, но уже на новом уровне. Интересен пример из области нанотехнологий, связанный с тайной дамасской стали. Электронная микроскопия молекулярной структуры лезвия сабли XVII в. обнаружила включения углеродных нанотрубок и нано-волокон из цементита (карбида железа) [1]. Как известно, дамасские клинки славились своей исключительной прочностью, витиеватой структурой поверхности и небывалой остротой. Технология их изготовления была утрачена. Согласно легенде, такой клинок мог рассечь надвое упавший на острие лоскут шелка*. Только слож-
В. В. Лепов
Ст рукт ура не в меньшей степени определяет свойства, чем сост ав.
Академик А.А. Бочвар
ная технология обжига и ковки сравнительно пластичной стали позволяла, видимо, получать композиционную структуру из переплетенных нанотрубок и твердых хрупких карбидных волокон - настоящий нано-композит ...?
Сегодня в области наноматериа-лов проводятся фундаментальные исследования, направленные в основном на изучение особенностей наносостояния (размерный фактор, анизотропия и размерность, морфологические и структурные особенности поверхностей объемных наномате-риалов и наноструктур) [2]; разработку новых подходов к созданию нано-материалов, в том числе выявление закономерностей самосборки и самоорганизации [3]; моделирование пове-
* Подобная картина очень образно представлена в американском художественном фильме «Телохранитель» с певицей Уитни Хьюстон и актером Кевином Костнером в главных ролях.
На фото вверху - диоксид титана, расщепленный на нанотубулярные ст руктуры после гидротермальной обработки [4].
Наука и техника в Якутии № 1 (16) 2009
_ . ^ ' Ж^^ЯШЖ*19т: ? МЛЛ
дения наноматериалов в различных условиях (деформирование, разрушение, воздействие различных сред и температур) и процессов их формирования.
Большой интерес вызывают технологии, которые либо уже представлены на рынке в виде товара, либо будут использованы в самое ближайшее время. Понятно, что это относится не к фундаментальным исследованиям или работам в области молекулярных компьютеров, наноботов и наноассемблеров.
Наиболее общая классификация наноматериалов по их структуре показана на рис. 1. Перечень наноматериалов, уже применяемых и перспективных для использования в различных сферах производства, представлен на рис. 2.
Объемные (3D)
i с
CTOI
Наноструктурированные Пленарные (2D)
Металлы и сплавы с ул ьтрамел козе рн исто й структурой Нанокерамика
Одномерные (1D)
Нанопорошки Нановолокна Наноагрегаты Нанолечатная литограф Нанолроволока
Нанодисперсные
Нанопленки Нано покрытия Монослои
Нанопорошки Нанокристаплы Квантовые точки
I
Нанокомпозиты
Наноструктурированные матрицы Наночастицы в керамической, металлической или полимерной матрице
Супрамолекулярные
Рис. 1. Схема наиболее общей классификации наномат ериалов по их структ уре. Здесь 1D, 2D, 3D означает соответ ственно одно-, двух-и трехмерный (англ. - Dimensional -размерный).
практически исчерпали себя [6]. Создание материалов с элементами структуры размером 10-100 нм позволяет решить данную проблему, причем не только для улучшения их механических характеристик. Разработаны нанокомпозиты с обширным комплексом механических и проводящих свойств, обусловленных уменьшением размера частиц и формированием между ними полукогерентных границ раздела. Материал на таких границах находится в особом аморфном состоянии кристаллитов и является своеобразным буфером в процессах переноса. Это особенно заметно проявляется именно в объемных наноматериалах - металлах и сталях, находящихся в ультрамелкозернистом состоянии и имеющих уникальные механические и физические свойства.
В настоящее время не меньшее значение имеют наноструктурные планарные и одномерные материалы (см. рис. 1). Помимо значительных достижений в создании твердотельных поверхностных и многослойных наноструктур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами, ожидается получение суперпроизводительных наноэлектронных вычислительных систем (ультрафиолетовая литография).
Так называемые астралены - фуллереноподобные материалы и нанотрубки - обладают рядом особых характеристик, включая химическую стойкость, высокие прочность, жесткость, ударную вязкость, электро- и теплопроводность. Фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической и высокотемпературной сверхпроводимостью, что определяется особенностями молекулярной симметрии. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники.
Неорганические материалы, которые можно изготовить в виде наноразмерных кристаллитов или составить из наночастиц, охватывают весьма широкий и разнообразный диапазон. Он включает в себя не только фуллерены, углеродные нанотрубки и квантовые точки, но и различные металлы и оксиды металлов, сульфиды, фториды, карбонаты, нитриды, силикаты и некоторые другие материалы. Многие из них можно синтезировать в различных морфологических формах, например, в виде тонкой фольги, нанотрубок (дисульфид молибдена) или нанопроводов (ряд оксидов металлов и нитридов). Другие материалы способны образовывать различные полиморфные формы. Так, диоксид кремния может давать стеклянные наночастицы, кварцевые нанокристаллы или пористые наночастицы, позволяющие осуществить адресную доставку лекарств к клеткам [5]. Частица диоксида титана, расщепленная на турбулярные структуры, показана на фото (стр. ).
Для чего необходимы, например, объемные нано-структурированные материалы конструкционного назначения? Как известно, прогресс в науке и технике немыслим без создания новых типов материалов, отвечающих все более высоким требованиям. Традиционные методы повышения механической прочности материалов путем подбора легирующих элементов и термообработки уже
Фуллерены и углеродные нанотрубки
LCD и сенсорные панели Газовые датчики Микросхемы памяти (RAM Газовые датчики Производство различных астраленов
пи 4. АБ" X ♦ш-
AM* Ь
-If Se
Металлические наночастицы Биосенсоры ^Штриховые коды безопасности Ракетное топливо Дисплеи
Медицинские препараты
Наноматериалы
Оксидные наночастицы
Покрытия
Полимерные композиты Дисплеи и батареи Солнцезащитные фильтры Присадки к топливу Люминофоры Фотоэлементы
Квантовые точки и провода
Лазеры, транзисторы Биодатчики
Прочие неорганические наночастицы Нанокомпозиты Наполнители покрытий Печать денежных знаков Замена костей
Различные минералы
Композиты Катализаторы Смазка Керамика
Рис. 2. Применение наномат ериалов в различных сферах. Здесь LCD - Liquid Crystal Display (англ. -жидкокристаллический дисплей, индикат ор).
Особый интерес представляют супрамолекулярные материалы, которые, по сути, являются большими молекулами, в которых атомы связаны невалентными межмолекулярными взаимодействиями - Ван-дер-Вааль-совыми, электростатическими силами и лиофильными-лиофобными (или гидрофильно-гидрофобными, т.е. основанными на смачивании) [7]. В обычных молекулах преобладают ковалентные и ионные связи.
Все биологические молекулярные системы (белки, ферменты, нуклеиновые кислоты) обладают свойствами супрамолекулярных материалов. Но для промышленного применения сейчас очень перспективен класс неорганических комплексных соединений со структурной организацией типа «гость-хозяин». Для супрамолекулярных систем важнейшим является комплементар-ность, т.е. геометрическое, топологическое и зарядовое соответствие «гостя» и «хозяина». Размер полости «хозяина» определяет размер «желанного гостя», при этом чем точнее соответствие «гость-хозяин», тем выше устойчивость ансамбля.
Уже сегодня супрамолекулярные системы находят широкое применение в сорбции и селективном катализе, рассматриваются в качестве наиболее перспективных кандидатов для захоронения радиоактивных отходов и разработки лекарственных препаратов нового поколения. Так, если, помимо центров распознавания и связывания, рецептор содержит другие функциональные группы, то после образования супрамолекулярной системы он может выступать в роли носителя, осуществляя направленный транспорт связанного с ним субстрата в определенные области организма.
Такие супрамолекулярные соединения, как термоэлектрические материалы, уже сейчас можно подержать в руках. О появлении по-настоящему эффективных охлаждающих термоэлектрических материалов в науке заговорили после того, как в начале 90-х годов прошлого века появилась гипотеза американского ученого Слэ-ка [8]. Он предположил, что термоэлектрики такого уровня можно создать на основе сложных химических соединений из атомов двух типов - «хозяев» и «гостей». В этом случае решетка молекулы «хозяина» будет построена на основе прочных ковалентных связей, в пустотах которой подвижные атомы или молекулы «гостя» способны колебаться внутри предназначенного для них объема. Их быстрое движение рассеивает служащие проводниками тепла фононы, снижая тем самым теплопроводность материала. При этом поведение «гостя» никак не сказывается на электропроводности «хозяина». Ее обеспечивают электроны, перемещающиеся по ковалентным связям каркаса. Благодаря тому, что объединенные в один молекулярный ансамбль элементы действуют обособленно, появляется возможность оптимизировать свойства каждого из них. Тип подобных веществ Слэк «окрестил» фононным стеклом - электронным кристаллом.
Такими материалами оказались клатраты - уже существующие в природе вещества (основа будущих полупроводников) [9]. Именно полупроводниковые клатраты, а также алмазоиды - высшие гидрокарбонаты, в которых атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную сетку, подобную алмазной, - окажутся скорее всего материалами медицинской и инструментальной промышленности будущего, задача которой создавать все товары на основе наноконструирования.
Изображение упорядоченного массива треугольных нанокластеров алюминия, сформировавшихся на поверхности атомов кремния в процессе самоорганизации, получено на сканирующем туннельном микроскопе (рис. 3). Кластеры имеют идентичный размер и форму. Каждый из них состоит из шести атомов алюминия и трех
Рис. 3. Изображение упорядоченного массива треугольныхнанокласт еров алюминия, самоорганизовавшихся на поверхности кремния [4].
атомов кремния [9]. В процессе получения и применения таких материалов можно столкнуться с довольно неожиданными и красивыми явлениями. Например, под действием сжимающих напряжений на поверхности двухслойных пленок олово - фуллерит, полученных методом вакуумного термического напыления, вырос кристалл фуллерита (рис. 4). Он очень похож на растущий в горах эдельвейс, который можно встретить и на равнинных участках Центральной Якутии с ее суровым климатом.
Рис. 4. Кристалл фуллерита, выросший в виде цветка [4].
В 2001 г. IBM представила первый одноэлектронный транзистор на основе нанотрубок (рис. 5). Ключ-затвор, созданный американскими учеными, конструктивно довольно прост. Он представляет собой многослойную нанотрубку, один конец которой закреплен, а другой электростатически взаимодействует с электродом. Такой ключ-затвор работает устойчиво, даже если зазор не превышает 10 нм.
Это устройство использует туннельный принцип. Под действием приложенной разности потенциалов нанотрубка изгибается в направлении электрода с противоположным потенциалом. Когда расстояние между ними сокращается до 1 нм, начинается «туннелирова-ние» носителей заряда. Вследствие наличия в цепи резистора разность потенциалов снижается до уровня, при котором нанотрубка возвращается в исходное положение.
«В числе преимуществ уст ройств на нанот рубках можно назвать, в частности, их высокую степень интеграции (до 1012 уст ройств на см2), высокую т акт овую част оту (до 100 ГГц), а т акже низкое энерго-пот ребление (менее 10 атт оватт на элемент), - говорит сотрудник Северо-Западного университета Горацио Эспиноза. - Целью наших исследований являет ся создание и практическая демонст рация бист абильно-го электромеханического переключателя на базе нанот рубок, пригодного для серийного производства и использования в коммерческих продукт ах. Для эт ого необходимо решить проблемы проектирования таких уст ройств, их производства и тестирования» [10].
Одна из последних моделей нанотранзисторов на основе нанотрубок разработана исследователями из Дельфтского технологического университета (Нидерланды) [10]. Особенность этой модели - хорошая емкостная связь между нанотрубкой и затвором, усиливающая донорство как электронов, так и дырок (р-донорство и п-донорство), а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие (для наноэлектроники) расстояния. Изготовленные устройства продемонстрировали
высокую частоту переключений (on/off > 105), коэффициент усиления >10 при комнатной температуре. Исследователи собрали на основе новых нанотранзисторов одно- двух- и трехтранзисторные логики.
На модели можно увидеть, насколько проста архитектура такого транзистора (рис. 6). Благодаря этому можно легко конструировать различные логики и объединять их в сложные цепи. Учитывая существование многочисленных новых методов интеграции полупроводниковой техники в пластиковые покрытия, а также создание полупроводниковых светодиодных матриц из нанотрубок, можно смело утверждать, что компьютеры недалекого будущего будут представлять собой гибкие массивы из нанотранзисторов и дисплеев на основе нанотрубок. В настоящее время открывается множество заводов по их производству, и инвестируются исследования свойств многослойных нанотрубок (рис. 7).
Проявление на наномасштабах особых квантовых свойств материи позволяет применять наноматериалы и нанотехнологии в метрологии (рис. 8). В современных нанотехнологиях большое внимание уделяется созданию методов калибровки средств измерений. Сканирующие зондовые микроскопы с атомарным разрешением могут служить аппаратным обеспечением при замене традиционных макроскопических эталонов на сверхточные наноскопические и квантовые, улучшая существующие в настоящее время на несколько порядков.
Рис. 6. Модель одного из последних нанотранзист оров [10].
Возможности атомно-силовой микроскопии по полу-чениию прецизионных наноразмерных структур демонстрирует рис. 9. На нем видна спиральная ступень, образовавшаяся после термического отжига кристалла кремния в кислородной атмосфере вследствие выхода винтовой дислокации на поверхность, и двумерные (глубиной всего 0,31 нм!) островки с латеральным размером
Рис. 5. Первый нанотранзист ор (затвор) на основе нанотрубок [10].
Рис. 7. При гидрот ермальной обработке оксида
ванадия в присут ствии поверхностно-активных веществ формируют ся наносвитки-нанотубулены состава УОх[4].
несколько десятков нанометров. Такая точность измерения линейных размеров не достижима для обычных методов.
Перспективы развития наноиндустрии выявляют достаточно деликатные вопросы, связанные с безопасностью наноматериалов, уже используемых в целом ряде продуктов. Это, в первую очередь, нанопорошко-вые материалы, состоящие из наночастиц с высокой удельной площадью, и, следовательно, очень активные в химическом отношении. Вследствие своих малых размеров они легко проникают в биологические ткани.
Стандартизация и сертификация наноматериалов и наноструктур
Рис. 8. Основные направления разработ ок в нанометрологии.
Недавно был создан Европейский консорциум по нанобезопасности, осуществляющий оценку рисков, связанных с использованием наноматериалов. В России эту функцию взял на себя Роспотребнадзор. Токсикологические исследования, разработку концепций и методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов и наночастиц выполняют в нашей стране научные центры гигиены им. Эрисмана, прикладной микробиологии и биотехнологии, вирусологии и биотехнологии «Вектор», а также профильные институты РАМН [11].
Некоторые общественные организации ряда стран, озабоченных различными аспектами воздействия нано-технологий на здоровье человека, летом 2007 г. рассмотрели и подписали Декларацию, содержащую восемь основополагающих принципов, направленных на эффективный контроль над нанотехнологиями, нанома-териалами и разработками в новой технологической области современного производства, а также их адекватную оценку [12]. Вот их краткая формулировка:
1. Предосторожность - основополагающий принцип, уже использующийся во многих международных конвенциях, согласно которому «... если какая-либо деятельность может предст авлять угрозу здоровью людей или окружающей среде, должны быть приняты меры предост орожности, даже если некот орые причинно-следственные связи не удается установить полностью с научной т очки зрения» [13].
2. Обязательное специальное регламентирование продукции нанотехнологий по разрабатываемым отраслевым нормам и правилам, поскольку действующее законодательство не позволяет обеспечить надлежащий контроль над наноматериалами. Подчеркивается, что они должны классифицироваться как вещества с новыми свойствами. Поэтому возможен риск их применения.
3. Охрана здоровья и безопасность населения и работников.
4. Охрана окружающей среды, предусматривающая оценку воздействия наноматериалов на среду, здоровье, а также сохранение безопасности.
5. Право потребителя на получение достоверной информации о новых материалах: все изделия, содержащие наноматериалы, должны соответствующим образом маркироваться.
6. Участие общественности в обсуждении проблем и проектов, связанных с нанотехнологиями.
7. Учет последствий использования нанотехнологий в более широком плане, в частности, социально-экономическом. Это связано с тем, что развитие нано-технологий и наноматериалов не только изменит существующие рынки и производства, нарушит соотношение производительных сил, но, возможно, коренным образом изменит и их источники.
8. Ответственность производителей за возможный ущерб, который может нанести продукция, содержащая наноматериалы.
Результаты исследований воздействия углеродных наноматериалов (нанотрубок) на организм морских свинок и крыс помещены в журнале «Наука и жизнь» (со ссылкой на журнал «СагЬоп») [14]. Выяснилось, в частности, что наноматериалы, по сравнению с асбестовым волокном, не настолько токсичны, чтобы накладывать мораторий на их использование, как это предлагали
Разработка принципов и стандартов метрологии
Greenpeace и Canadian ETC Group [15]. Поэтому сделан вывод о возможности их применения в промышленных масштабах. Это несколько обнадеживает как производителей, так и потребителей нанотехнологических продуктов, но не снимает особой ответственности органов контроля и безопасности за широкое внедрение новых материалов в нашу повседневную жизнь.
Лит ерат ура
1. Mason Inman. Legendary Swords' Sharpness, Strength From Nanotubes, Study Says / National Geographic News, November 16, 2006. -http://news.nationalgeographic.com/news/2006/11/061116-nanotech-swords.html
2. Завершилось Общее Собрание РАН. -http://www.nanometer. ru/
3. ЕлисеевА.А., СиницкийА.С. Философиянаносин-теза. 15 декабря2007. - http://www.nanometer.ru
4. Наномет р. Нанотехнологическое сообщество. - http://www.nanometer. ru/gallery_list.html
5. «Вести» и С. Иванов: Нанотехнологии выведут Россию в мировые лидеры. - http://www.vesti.ru/
6. Панцирный В. Материалы нового класса // Технополис. -2006. - № 8. - http://technopolisxxi.rU/article8.2
7. Лен Ж.-М. «Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы» / Пер. с англ. - Новосибирск: Наука, 1998. - 334 с.
8. Wind S.J., Appenzeller J., Martel R. et al. Vertical Scaling of Carbon Nanotube Field-effect Transistors Using Top Gate Electrodes //Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 80. -P. 3817-3819.
9. Шевельков А.В. Бесшумные и вечные супрамоле-кулярные холодильники - долой «кулеры» и фреон! 15 мая2007. - nanometer.ru/2007/05/15/klatrati.html
10. Свидиненко Юрий. Наноэлект роника сегодня и завт ра. - http://www.nanonewsnet.ru/
11. Агенство медицинской информации ИТАР ТАСС. Роспот ребнадзор займет ся оценкой рисков использования наноматериалов при производстве т оваров массового пот ребления. - http://www.ami-tass.ru/article/22703.html
12. Принципы конт роля за нанотехнологиями и наноматериалами. Декларация предст авителей гражданского общества, выразителей общественных интересов, экологических и профсоюзных организаций/Перевод на русский язык. - http://www.ktr.su
13. Wingspread Statement on the Precautionary Principle, January 1998; См.также Nancy Myers, Anne Rabe & Katie Silberman, Louisville Charter For Safer Chemicals: Background Paper For Reform. - № 4. -2005. -www.louisvillecharter.org/paper.foresight.shtml
14. Обзор новостей. Ж-л «Наука и жизнь». -http://www.nkj.ru/
15. Читем Э.К. и Грубшт айн П. Наноматериалы и венчурныйкапит ал. -http://www.nanotoday.com
Толстихин О.Н. Возвращение духовности: Из курса лекций по дисциплине «Экология человека». - Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 2007. -164 с.
В лекциях, чит авшихся на биолого-географическом факультете по курсу «Экология человека», рассматриваются актуальные вопросы состояния нравст венност и российского общест ва, причины и следст вия снижения моральных и нравственных норм, вопросы формирования интеллект а ребенка как базовой сост авляющей последующего преодоления возникшего неблагополучия.
Предназначены для ст удент ов любых специальностей, а т акже могут быть использованы преподавателями и молодыми родителями.
