CC BY
128
УДК 620.3
раздел ФИЗИКА
НАНОМАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОЙ РОССИИ
© Ф. Г. Ишмуратов1, М. П. Яковлева2*
1Уфимский государственный авиационный технический университет Россия, Республика Башкортостан, 450000 г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
2Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.
Тел./факс +7 (347) 235 60 66.
E-mail: [email protected]
Обобщены материалы по современному состоянию и проблемам в области терминологии, классификации, метрологии и стандартизации наноматериалов в Российской Федерации. Сделан вывод о том, что известные мировые подходы и принципы позволяют создать систему оценки процедур и методов подтверждения соответствия наноматериалов и другой продукции наноиндустрии требованиям технических регламентов и стандартов. В то же время отмечены отсталость в современной России уровня исследований в области наноматериалов и необходимость активизации работ в данном направлении на основе международных стандартов iso.
Обзор
Ключевые слова: терминология, материалов в современной России.
В настоящее время большое внимание специалистов, занимающихся созданием и исследованием новых материалов,- физиков, материаловедов, механиков - привлекают наноструктурные материалы [1-6]. Эти материалы обладают уникальной структурой и свойствами, многие из которых имеют непосредственный практический интерес. Наноструктурным материалам часто соответствуют измененные, обычно структурно-нечувствительные характеристики, такие как упругие модули, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. Это открывает перспективы улучшения существующих и создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов.
Данный обзор посвящен освещению состояния и проблем в области терминологии, классификации, метрологии и стандартизации наноматериалов в современной России.
Анализ публикаций в научных журналах, касающихся нанотехнологий, показывает, что в зависимости от основного научного направления авторов (физика, химия, биология, электроника, медицина и т.д.) каждый из них понимает данный термин по-разному. По нашему мнению наиболее приемлемым является следующий смысл этого понятия: разработка, характеризация, производство и применение структур, устройств и систем посредством контроля формы и размеров в нанометровом (до 100 нм) диапазоне, где свойства существенно отличаются по сравнению с макроуровнем [7, 8].
Кроме того, очень часто в различных программах, проектах, публикациях термины «нанотехнология» и «наноматериалы» используются одновременно и наравне, что подтверждает важность и значимость проблемы наноматериалов в нанотехнологической тематике. Термин «наноматериалы» включает в себя большую группу различных материалов (наноструктурные, нанофазные, нанопори-
классификация, метрология и стандартизация нано-
стые, нанокомпозитные и т.д., а также нанопорошки, нанотрубки, нанокапсулы, нановолокна, наночастицы, нанопленки и т.д.), характерным признаком которых является наличие в них основных структурных элементов (кристаллитов, пор, волокон, слоев и т.д.), величина которых, по крайней мере, хотя бы в одном измерении, не превышает так называемого нанотехнологичного предела - 100 нм [8, 9].
В настоящее время в развитых странах, в том числе и Российской Федерации, ведется активная работа [10-12] по созданию терминологии и номенклатуры наноматериалов, которые дают возможность идентифицировать наноматериалы или продукты, их содержащие. Усилия Первой рабочей группы Международной организации по стандартизации 180 были направлены на унификацию терминологии и классификации наноматериалов. Результаты этой работы получили признание в странах, стремящихся стать лидерами наноиндустрии (членство в 180 имеют более 45 стран). Первый международный словарь по нанообъектам за три года после издания получил статус национального в 28 странах. Впрочем, в ряде таких стран, как Китай, США, Иран, также стремящихся к унификации терминологии, упор делается на издание собственных нанотехнологических словарей, в которых широко используются международные подходы. Россия, к сожалению, в вопросах терминологии только догоняет другие страны, так как ее участие в международной и европейской стандартизации незначительно [9]. Первым шагом России в этих вопросах была публикация словаря [9], однако так и не ставшего национальным стандартом.
Событием мирового масштаба стала публикация в 2010 г. Технического отчета 180 ТЯ11360:2010 «Нанотехнологии - методология классификации и категоризации наноматериалов»
* автор, ответственный за переписку
ISSN 1998-4812
Вестник Башкирского университета. 2013. Т. 18. №2
335
[13]. В отчете представлена система классификации, условно названная «нанодрево», в которой все отношения между различными наноматериалами представлены как ветви этого «дерева» и переходы от одной ветви к другой, на базе которой широкий диапазон наноматериалов различных размеров и разнообразных физических, химических, механических, оптических, магнитных и биологических свойств может быть разбит на категории. Предлагается системный иерархический подход, который может быть использован в научных исследованиях и промышленности. Согласно методологии, «нанодрево» состоит из четырех главных «ветвей». За классификацией наноматериалов по размеру следует их разделение на базе внутренних/внешних структур. Следующий шаг обеспечивает разделение наноматериалов по их химической природе, вызывающей различие в их поведении и свойствах, в частности, электронных, химических, механических, биологических. Предлагаемая в 180 система классификации «нанодрево» призвана обеспечивать пользователей структурированным представлением о нанотехнологиях, облегчать и продвигать общие понятия, используемые в этой области. Причем рассматриваемый документ уже получил статус национального стандарта в целом ряде стран: Дании, Великобритании, Франции, Нидерландах и др. Следует отметить, что будущие выгоды от реализации нанопродукции и глобализация мировой торговли все больше активизирует усилия по разработке именно международных стандартов, поскольку их применение обеспечивает пользователю неоценимую помощь и неоспоримое конкурентное преимущество.
Вместе с тем, современное состояние отечественной наностандартизации и замедленность принятия Российских ГОСТ(ов) по нанотехнологиям на основе международных стандартов 180, делает проблематичным возможность российских пользователей контролировать рынок наноиндустрии в ближайшее время [14].
Страны, вступившие в нанотехнологический прорыв, отчетливо осознают необходимость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся отрасли. Специфика нанотехнологий привела к необходимости зарождения и быстрого развития уникального направления в метрологии -нанометрологии, с которым связаны теоретические и практические аспекты «правильности» измерений, включая эталоны единиц величин; стандартные образцы состава, структуры, размера, свойств; методы и средства калибровки в нанометровом и субнанометровом диапазонах; реализацию наношкалы и многие другие аспекты обеспечения единства измерений. Особо важно то, что в нанотехнологиях приборно-аналитическая и технологическая составляющие работают на пределе возможностей. Это увеличивает вероятность ошибки, связанной, кроме того, с человеческим фактором [15].
В решении главной задачи метрологии - обеспечении единства измерений, т.е. достижении такого состояния измерительной инфраструктуры, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах и их погрешности (неопределенности) известны с заданной вероятностью - нанометрология опирается на меры, стандартные образцы состава, структуры, размера, свойств в обеспечение практически каждой единицы оборудования необходимым набором средств, которые воспроизводят нужную шкалу и позволяют осуществлять калибровку средств измерений, в том числе непосредственно в процессе измерений, что позволяет контролировать результаты каждого из них и обеспечивать их прослеживаемость к эталону соответствующей величины. Создание таких стандартных образцов и мер сопровождается разработкой соответствующих методик поверки и калибровки их самих и средств измерений с их применением, а также методик измерений параметров и характеристик объектов и продукции нанотехнологий и наноиндустрии с использованием указанных средств измерений [16-19].
В России к настоящему времени создана основа метрологического обеспечения измерений длины в диапазоне 1-1000 нм, а именно разработаны:
• методология обеспечения единства измерений в данном диапазоне, включающая принципы электронной и зондовой микроскопий, лазерной интерферометрии и рентгеновской дифрактомет-рии;
• метрологический комплекс, обеспечивающий воспроизведение и передачу размера единицы длины в диапазоне 1-1000 нм вещественным мерам длины с погрешностью 0.5 нм.
Спектр разрабатываемых стандартов [20-22], предлагающих на базе существующих технологий унифицированные на международном уровне подходы к измерениям и характеристике свойств нанообъектов, достаточно широк. Эти стандарты (документы, устанавливающие для всеобщего и многократного использования правила, общие принципы и характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов, и направленные на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области) призваны устранить барьеры на пути коммерциализации нанотехнологий и способствовать переводу созданных разработок на стадию массового изготовления новых объектов [23].
Стандартизация в области нанотехнологий включает [14, 24]:
• понимание и управление процессами и свойствами материалов в нанометровом диапазоне, как правило, для размеров менее 100 нанометров по одной или более координат, где учет размерных явлений обычно приводит к новым применениям;
• и/или использование свойств материалов нанометрового диапазона, которые отличаются от
свойств как отдельных атомов и молекул, так и от свойств объемных материалов, для создания более совершенных приборов, систем и материалов, реализующих эти новые свойства.
Одна из первоочередных задач стандартизации в нанотехнологиях - стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур, подлежащих измерениям. Отсюда закономерное следствие - необходимость аттестованных и стандартизованных методик измерений, калибровки и поверки применяемых в нанотехнологиях средств измерений. России, к сожалению, в вопросах нанометрологии приходится догонять другие страны, так как ее участие в международной и европейской стандартизации по-прежнему незначительно. Остается надеяться, что представители России будут активно вовлечены в работы по международной стандартизации, а российские пользователи уже в скором времени смогут располагать новейшими стандартами ГОСТ Р серии «Нанотехнологии», подходы которых будут согласованы с международными [9].
Таким образом, российские ученые и специалисты, работающие в области нанотехнологий и наноматериалов, четко осознают необходимость активизации усилий в области создания терминологии, классификации, метрологии и стандартизации наноматериалов международного уровня, что несомненно, позволит контролировать мировой рынок наноиндустрии в ближайшее время.
Авторы выражают благодарность д.ф.-м.н. И. В. Александрову и к.т.н. Э. В. Сафину за поддержку и консультации при написании данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гусев А. И., Ремпель А. А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит. 2000. 224 с.
2. Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос. 2000. 272 с.
3. Валиев Р. З., Александров И. В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига». 2007. 398 с.
4. Носкова Н. И., Мулюков Р. Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. Екатеринбург: Уральское отд-е РАН. 2003. 279 с.
5. Андриевский Р. А., Рагуля А. В. Наноструктурные материалы. М.: Academia. 2005. 192 с.
6. Мулюков Р. Р. Развитие принципов получения и исследования объемных наноструктурных материалов в ИПСМ РАН // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. №7-8. С. 38-53.
7. Удовицкий В. Г. О терминологии, стандартизации и классификации в области нанотехнологий и наноматериалов // ФИП PSE. 2008. Т. 6. №3^. С. 193-201.
8. Алфимов М. В., Голберг Л. М., Фурсов К. С. Нанотехнологии: определения и классификация // Российские нанотехнологии. 2010. Т.5. №7-8. С. 8-15.
9. Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях / Под ред. М. В. Ковальчука, П. А. Тодуа. М.: Техносфера. 2010. 136 с.
10. Хохлявин С. А. Международный подход к нанометрологии // Наноиндустрия. 2011. №6. С. 88-91.
11. Хохлявин С. А. Нанотехнологические словари - шаг к достижению одинакового понимания // Наноиндустрия. 2010. №2. С. 42-44.
12. Хохлявин С. А. К единой терминологической базе нанотехнологий // Наноиндустрия. 2010. №5. С. 90-97.
13. Хохлявин С. А. Стандарты ИСО: от классификации наноматериалов до нанотоксикологии // Наноиндустрия. 2011. №1. С. 62-66.
14. Хохлявин С. А. Нанотехнологии и стандарты - неразрывный симбиоз // Наноиндустрия. 2010. №3. С. 32-36.
15. Тодуа П. А. Метрология в нанотехнологии // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. №1-2. С. 61-69.
16. Novikov Yu. A., Rakov A. V., Todua P. A. Metrology in linear measurements of nanoobject elements // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6260. P. 626013-1-626013-8.
17. Данилова М. А., Митюхляев В. Б., Новиков Ю. А., Озерин Ю. В., Раков А. В., Тодуа П. А. Тест-объект с шириной линии менее 10 нм для растровой электронной микроскопии // Измерительная техника. 2008. №8. С. 20-23.
18. Novikov Yu. A., Rakov A. V., Todua P. A. Linear sizes measurements of linear elements with the width less 100 nm on a SEM // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6260. P. 626015-1626015-6.
19. Новиков Ю. А., Раков А. В., Тодуа П. А. Точность измерения линейных размеров на растровых электронных микроскопах в микро- и нанотехнологиях // Измерительная техника. 2008. №6. С. 15-18.
20. Хохлявин С. А. Стандарты для измерений и характеристики свойств нанообъектов // Наноиндустрия. 2011. №8. С. 46-49.
21. Хохлявин С. А. Стандартизация в области нанотехнологий: от оценки риска до измерений в наномасштабе // Мир стандартов. 2008. №9 (30). С. 58-70.
22. Хохлявин С. А. Состояние и перспективы международной стандартизации в области нанотехнологий // Мир стандартов. 2009. №5 (36). С. 34-41.
23. Хохлявин С. А. Стандартизация в области нанотехнологий - устранение барьеров для коммерциализации // Мир стандартов. 2008. №6 (27). С. 21-28.
24. Гавриленко В. П., Лесновский Е. Н., Новиков Ю. А., Раков А. В., Тодуа П. А., Филиппов М. Н. Первые российские стандарты в нанотехнологиях // Известия АН. Сер. физич. 2009. Т. 73. №4. С. 454-462.
Поступила в редакцию 04.05.20I3 г. После доработки - 0I.04.20I3 г.
