CC BY
291
СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК539.213; 541.182
Р. С. Сайфуллин, А. Р. Сайфуллин
НАНОНАУКА И НАНОТЕХНОЛОГИЯ.
ОБЩИЙ ВЗГЛЯД - ИЗ ПРОШЛОГО В БУДУЩЕЕ
Нанонаука и нанотехнология - разделы естественных наук, физикохи-мия изучения и использования ультрамикрочастиц веществ, молекул, двумерных систем или других объектов с размерами в 1-10 нм, или более широко, в 1-100 нм в различных областях науки, техники и производства. Естественно, что нанотехнология является следствием нанонауки. В компетенцию последней входят и объекты указанных размеров, а также те, которые имеющют размеры менее 1 нанометра. Это атомы размером в диапазоне 50-500 пикометров (пм), т.е. в десятые доли нанометра. Ниже рассмотрены все аспекты, достижения, перспективы и проблемы этих наук.
Термин «нанотехнология» был использован впервые японским исследователем
Н.Танигучи (Norio Taniguchi) в 70-х годах XX в [1], а начал широко распространяться в 90-х XX в. применительно к традиционным областям получения, исследования и использования частиц металлов и других веществ, размерами менее 100 нм, получаемых методами взрыва, плазмохимии и конденсацией при реакциях в газовой среде и в растворах электролитов [аэросилы, гели, золи (рис. 1), кластеры (рис. 2), коллоидные металлы, ультрадис-персные частицы (УДЧ)]. Термин упоминался в англоязычных словарях в 1974 «как искусство манипулирования с объектами на атомном и молекулярном уровне». Идея работ на ультраминиатюрном уровне была высказана еще ранее, в 1959, американским физиком Р.Фейнманом (RichardFeynman, об этом см. далее).
Напомним, нано (n-, н...) (< лат. na^s «:карлик») - приставка для образования наименования дольных единиц, равных одной миллиардной доле исходных единиц, например, 1 нм (нанометр) = 10-9 м; 1 нс (наносекунда) = 10-9 с. Итак, войдем в область объектов сверхмалых размеров, обратившись к рис. 3. Из рис. 3 следует, что частицы нанометрового порядка были и ранее объектами изучения естественных наук: коллоидной химии, науки о гетерофазном катализе (кластеры донанометрового размера, надкластерные образования, УДЧ в 1-2 нм и др.) и, вообще, науки о поверхности раздела (емкое английское слово interface) и «драмах», происходящих на поверхности, на атомно-молекулярном уровне. Известны классические работы, проводимые в КХТИ с 40-х годов XX в., по изучению химически и электрохимически выделяемых коллоидных образований металлов и их соединений [2]. Особенности получения коллоидных металлов и их свойств были отражены в монографии [3].
Всплеск интереса к нанонауке и нанотехнологии в первую декаду XXI в. обязан появившимся новым техническим возможностям создания тончайших поверхностных пленок, супрамолекул, нанотрубок (рис. 4), успехам плазмохимии, появлению атомной электронной микроскопии и других физических методов изучения ультрамикромира [5, 6]. Приведем некоторые сравнения. Рзмеры самых крупных атомов, а именно рубидия и цезия, - ок. 0,5 нм; минимальные размеры твердых частичек (возможно, субкристаллов, ква-
зикристаллов) и капель 1^2 нм; тончайших пор активированного угля - 1^10 нм; поперечник пряди ДНК - 2,5 нм; золи золота - 3^50 нм; молекулы гликогена - 10 нм. Многие вирусы имеют размеры 10^100 нм. Видимый невооруженным глазом минимальный размер (толщина человеческого волоса в 80-100 тыс. нм, т.е. около десятой доли мм) превышает указанные величины на 3-4 порядка.
?
Димер
I
Циклическим полимер
I
Часгица
Рис. 1 - Схема образования, агломерации и полимеризации гидратов диоксида кремния
Рис. 2 - Начальные некристаллические икосаэдрические объединения сравнительно небольшого количества атомов в кластеры (13-, 55- и 147-атомные кластеры соответственно)
Рис. 3 - Физические характеристики частиц, их классификация и методы идентификации [4]
Рис. 4 - Элементарная ячейка букминстерфуллеренида калия (^ = 2) и изображение нанотрубки из молекул фуллерена Сбо
К объектам нанотехнологии относятся продукты и изделия, связанные с размерами нанометрового порядка (надатомные и надмолекулярные величины), методы их получения и изучения, в том числе изучение тонкого строения частиц и поверхности твердых тел применительно к проблемам катализа, электроники, трения и износа (нанотрибология). Это и фуллерены, и нанотрубки, защитные слои, композиционные материалы, лекарственные средства и их воздействие на организм и многое другое.
Миниматериалы и устройства проявляют новые выраженные химические и физические свойства благодаря проявлению квантово-механических эффектов. Последнее важно при создании будущих микроэлектромеханических систем. Уже появились потребительские изделия электронной промышленности, использующие микроскопические наноусы («нановискеры» - nanowhiskers) длиной около 10 нм, молекулярно «сцепленные» в натуральные и синтетические волокна, предназначенные придать одежде и тканям защиту от загрязнения [1].
Нанокристаллы оксида цинка ZnO используются в невидимых (прозрачных) экранах, блокирующих УФ, а подобные кристаллики серебра, внедренные в медицинские перевязочные материалы, нейтрализуют бактерии и защищают от инфекций. Углеродные нанотрубки, открытые С.Жижима ^птю Jijima) в Японии в 1991 г., применяют в современных средствах освещения (¡птЬо^оп лампы) на крупнейших стадионах. Другие области приложения: дисководы ПК, химические, фотохимические и биологические сенсоры в целях мониторинга окружающей среды, охраны здоровья, обнаружения средств терроризма и наркотических веществ, контроля лекарств, а также обнаружения раковых клеток. Изобретены «наноэлеваторы» (2004) для манипулирования молекулами. В лабораториях используются устройства для удаления, переноса, посадки отдельных атомов или их групп (рис. 5). Нанопокрытия могут обеспечить поверхностям любую степень прозрачности, стойкость к радиации, коррозии и износу. Могут быть созданы электронные, магнитные и механические изделия и системы с беспрецедентной скоростью обработки информации.
Рис. 5 - Атомная поверхность кристалла кремния с извлекаемым отдельным атомом (слева, обведен кружком) и образованной на его месте вакансией для атома (справа)
Следует заметить, что наносистемы, реальные и воображаемые, обращаемые с размерами почти миллиардных долей метра, требуют значительных усилий, научных и технических, для совмещения их с микро- и макрообъектами миллиметрового, и выше, диапазона (разница в десятки и сотни тысяч раз). При этом станет возможным получение более легких и более прочных, а также программируемых по свойствам материалов, связанных с меньшим расходом энергии. Произойдет сокращение отходов производства, повысится эффективность использования топлива во всех видах транспортных средств, включая и космические. Ожидается применение сверхминиатюрных устройств, вживляемых в организм с целью адресной доставки туда лекарственных средств или диагностирования.
Итак, нанотехнология - высокомеждисциплинарная наука о средствах получения и использования ультрамикрообъектов, включающая в себя химию, физику, биологию, материаловедение и ряд инженерных наук. Это как чистые науки, так и прикладные науки (технология), хотя в точном (узком) смысле нанонаука охватывает знания о химических, физических и биологических свойствах материи на атомно-молекулярном уровне. В узком смысле это наука о контролируемых манипуляциях знаний о свойствах материи применительно к созданию материалов и функциональных систем с уникальными свойствами, нехарактерными для микро- и макроматериалов и систем.
В противоположность последним научно-техническим стремлениям (инженерия) в рассматриваемой области природа создала и развивает нанотехнологию в течение миллиардов лет, применяя с мастерской точностью энзимы и катализаторы для организации и сбора различных видов атомов и молекул в сложные микроскопические структуры, которые делают возможной жизнь. Природные продукты созданы с большой эффективностью. Они обладают впечатляющими способностями, такими как восприятие солнечной энергии, превращение минералов (неорганических веществ) и воду в живые клетки, умением собирать и обрабатывать массивную информацию, используя «армию» нервных клеток, умело копировать миллиарды битов информации в молекулах ДНК.
Существуют две основные причины для качественного выделения поведения материалов на наноуровне (традиционно по шкале менее 100 нм):
1. при очень малых размерах начинают проявляться квантово-механические эффекты с особенностями своей химии и физики;
2. лидирующим фактором является высокое соотношение поверхность/масса (объем), т.е. высокая удельная поверхность, определяемая, в частности, для частиц сферической и кубической форм зависимостью Эуд = 6^1, где d - плотность вещества; I - диаметр шара или величина ребра куба.
Каковы последствия сверхдезинтеграции материи, или конденсации их из атомномолекулярного уровня, до УДЧ, видно на рис. 6-9.
Рис. 6 - Схемы вынужденного изменения межатомного расстояния при создании поверхности кристалла: а - уменьшением межплоскостного расстояния; б - образованием атомных пар
Каковы свойства ультрадисперсных частиц?
Сверхмелкие частицы твердых веществ или капель жидкости - это ассоциация минимум нескольких тысяч атомов или молекул. УДЧ обладают высокой удельной поверхностью, а следовательно, и высокой поверхностной энергией и подвижностью (рис. 7).
2
Рис. 7 - Схема диффузии УДЧ на твердой поверхности путем перетекания ее поверхностных атомов благодаря градиенту температуры, давления, потенциала или других факторов: 1 - УДЧ; 2 - твердая поверхность; 3 - путем перетекания ее поверхностных атомов
Предельно малый размер твердой частицы или капли составляет около 1-2 нм (например, частицы благородных металлов или кремния), когда они обладают трехмерной упорядоченностью структурных единиц. Это надкластерные частицы, склонные к агрегированию, но способные к самостоятельному существованию, по крайней мере в вакууме или защитной среде. Они получаются конденсацией из газовой среды [например, металлы, диоксид кремния в виде известных аэросила или технического углерода (сажа)], или кристаллизацией из водных растворов, в частности ионной реакцией (например, BaSO4, суль-
фиды ^-металлов). УДЧ многих видов тугоплавких веществ (например, В, С, Si, А1203 и другие оксиды, бориды, карбиды) получают плазмохимическими реакциями.
То, что в наномире материальные объекты попадают в совершенно иное состояние, видно на примере золота или других металлов. Золото в компактном (макроскопическом) состоянии - инертнейшее тело, но оно, будучи переведено в наноразмерное состояние, становится исключительно каталитически реакционноспособным и сверхлегкоплавким. Повышенная активность любых объектов при их миниатюризации известна на многих других примерах. Приведем известные ранее в обсуждаемой области факты или расчеты в виде графика (рис. 8).
Видно, как резко падает температура плавления частицы при её диспергировании в нанообласть. Тугоплавкая платина переходит в разряд легкоплавких металлов, а калий становится жидким уже при температурах жидкого азота или кислорода.
М.р.ГС М.р.ГС
300 —I—i------1—1—I------------1-------
О 20 50 100 d/nm
Рис. 8 - Температуры плавления УДЧ в зависимости от их размеров: 1 - платина;
2 - серебро; 3 - калий
График построен на основе расчетной зависимости температуры плавления кластера (Тс) как функции ее поперечного размера в виде ребра куба или диаметра шара (d):
Tc = Ttab exp -(yM/AHmdp), где Ttab - табличная температура плавления; g- поверхностная энергия; M - молярная масса; AHm - энтальпия плавления; p - плотность.
Экспоненциальный характер изменения свойств вещества при переходе его в ультрамикромир сохраняется также в отношении упругости его паров, для оценки которой приведем следующее соотношение:
Pc = Ptab exp -(4gM/RTdp), где р - соответствующие значения упругости паров; R - газовая постоянная.
При размерах частиц около 1 нм и менее отмечается резкое повышение упругости паров этих частиц. Таким образом, живучесть сверхмелких частиц (капель) находится под угрозой ввиду экспоненциального возрастания их активности с уменьшением размера. Наконец, это следует и из известного понятия о критическом размере кристалла, ниже кото-
рого он должен исчезнуть (испариться, раствориться и т.д.) как термодинамически неустойчивое образование (рис. 9).
В кластерах размером в несколько нанометров не существует кристаллической структуры с ее осями симметрии 2, 3, 4 и 6, обусловливающей неограниченную трехмерную упорядоченность структурных единиц. В этом случае суммарная энергия атомов сопоставима с поверхностной энергией объекта. Расчетные, относительно устойчивые кластеры частиц на рис. 2 представлены 13, 55, 147 атомами. Характер кластерности (некристалличность вещества, для которого в ином, а именно в микро- и макросостоянии известна кристаллическая структура) сохраняется обычно до объединения частиц числом вплоть до 2000.
А В С
Дву= 4/Зтгг3Д<7у
Рис. 9 - Изменение энергии Гиббса (ЛG) кристалла в зависимости от его размера Г. Области: А - субзародышей; В - критического зародыша; С - сверхзародышей. Индексы V и в относятся соответственно к объемной и поверхностной составляющим изменения энергии; Гсг - критический радиус кристаллитов. ЛG = — 4/3пг3 АНпр (АТ/Тпр) + 4пГУ где ЛНпр и 7Пр - энтальпия и температура превращения; ЛТ - градиент температуры относительно Тпр; у- межфазная энергия
Что еще известно на сегодня?
И много, и мало. Вот некоторые примеры повышенной активности ультрамикрораз-мерных объектов и проявления ими «необычных» свойств:
а) кластер из нескольких атомов ртути не проводит электрический ток, а объединение сотен таких атомов (еще не кристалл) проявляет металлические свойства;
б) металлические ртуть и галлий, будучи внедренными в узкие, диаметром в 4 нм, канальцы борсиликатного стекла, существуют в жидком состоянии вплоть до сверхнизких температур 30-50 К;
в) УДЧ нитрида титана TІN (ТП 2950 °С) способны спекаться при температурах на 900 °С ниже, чем температуры спекания микропорошков этого вещества в классической порошковой металлургии;
г) нанообъекты различной геометрии, полученные направленной комбинацией атомов углерода (волокна, нанотрубки, мономолекулярные слои и др.), обладают прочностью, почти как у алмаза;
д) кристаллы наноалмаза (псевдоалмаз - разновидность углерода, искусственно полученная при детонации смеси тринитротолуола и циклотриметилентринитроамина) обладают тетрагональной структурой (а = 358,5 пм, b = 345 пм) в отличие от кубической модификации в-С с параметром а = 355,95 пм. Частицы его имеют предположительно полую шарообразную форму, в частности, с диаметром около 5 нм и толщиной стенок 0,6 нм, т.е. в несколько атомных слоев (размер атома углерода в алмазе 154 пм).
К драматическому изменению свойств вещества с переходом в УД- состояние приводит энергоненасыщенность резко возросшего удельного числа поверхностных атомов и проявление веществом измененных магнитных характеристик.
Краеугольные камни в развитии нанотехнологии.
Фантасты (предсказания)
Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман (в будущем, в 1965 [6]) (1918-1988) в 1959 на лекции Американскому физическому обществу представил свое видение будущего в связи с экстремальной миниатюризацией, заявив: «Если мы способны на кончике иглы изобразить текст Нового завета, то почему нельзя поместить туда все 24 тома Encyclopædia Britannica? При увеличении в 25000 раз головка иглы займет площадь текста энциклопедии». Интригуя на биологические темы, он отметил высокую разрушающую и созидающую силу вездесущих микроскопических клеток, носителей информации, которыми необходимо и можно манипулировать. Он рассмотрел крупные сооружения, с помощью которых будет возможным создать меньшие сооружения, а с помощью меньших
- еще меньшие и так далее. Тогда придет время управлять атомами.
Пионеры в нанонауке
Американский физик К.Дрекслер (K.Eric Drexler, о нем см. ниже), начав с публикации в 1981 г. статьи в Трудах Национальной академии наук, которая, в свою очередь, предшествовала двум популярным книгам Engines of Creation (1986) и Nanosystems (1992), был одним из первых в нанотехнологии. Им получена докторская степень, первая в области молекулярной нанотехнологии. Он описал молекулярное видение мира и предсказал «молекулярные машины» будущего - «конструкторов» («assemblers»), способных манипулировать отдельными атомами, чтобы создать необходимые структуры, а также «размножителей» («replicators»), способных воспроизводить себя, экономя время, работая с миллиардами молекул с целью создания полезного размера.
В 1990 г. он писал: «Клетки и ткани в теле человека созданы и поддерживаются молекулярной системой машин (mashinery), которая в то же время может вести себя неадекватно - размножать вирусы, распространять раковые клетки, старить и разрушать. Следует ожидать, что новые молекулярные машины и компьютеры субклеточного размера смогут поддерживать собственные механизмы тела. Системы, содержащие нанокомпьютеры, обратятся к молекулярным сенсорам и их рычагам для усиления иммунной системы, ищущих и разрушающих вирусы и раковые клетки. Подобные устройства, программируемые как ремонтные машины, смогут войти в живые клетки для ликвидации разрушений, вызванных вирусной атакой. Указанные машины привнесут хирургический контроль на молекулярном уровне и откроют новые горизонты в медицине».
Футуристские взгляды Дрекслера стимулировали новое мышление, но реальность описанного воздействия на атомно-молекулярный уровень материи долго отсутствовала. Одновременно возникли сомнения и противодействия «нанорепликам» со сороны биологов по социально-этическим соображениям. Но вернемся к реальности. Чтобы предсказания стали явью, необходимо рассмотреть еще раз, что имеем на сегодня.
Пионеры в нанотехнологии
В последующие годы был совершен ряд краеугольных достижений. В лабораториях Bell-Company в 1968 г. изобретена молекулярно-лучевая эпитаксия (molecular beam epitaxy), позволившая через два года спустя получить контролируемое однослойное атомное покрытие, а следовательно, и следующие подобные наслаивания на первый слой. Это было важным достижением в производстве полупроводников (ПП) - сендвичевых нанометро-вых слоев. В частности, слой немагнитного сенсорного материала толщиной в 1 нм, заключенный между двумя магнитными слоями в компьютерном диске, позволил значительно увеличить его емкость, что использовано, в частности, в компакт-дисках плейеров.
В 1981 г. в лаборатории IBM в Швейцарии американский физик К.Дрекслер (K.Eric Drexler), Г.Винниг (G.Binnig) и Г.Рорер (Н-Rohrer) создали сканирующий туннельный микроскоп (Нобелевская премия по физике 1986 г.), что явилось революционным шагом, позволившим исследователям наблюдать индивидуальные атомы на твердой поверхности.
Принцип работы микроскопа (рис. 10) основан на квантово-механическом явлении
- туннелировании. Согласно этому явлению УДЧ с волновыми свойствами дозволяется
5
Рис. 10 - Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа: 1 — ЭВМ; 2 — дисплей; 3 — электронное облако; 4 — сканирующая игла; 5 — исследуемая поверхность. Стрелками показаны направления перемещения (сканирование) иглы. Под влиянием регулируемой величины туннельного тока острие иглы удерживается на определенном расстоянии от поверхности атома - уплотнения электронного облака; бугры относятся к отдельным атомам
туннелировать вне поверхности твердого тела туда, куда согласно законам классической физики вход им запрещен. Создатели микроскопа впервые рассматривали поверхность золотого образца, когда на дисплее наблюдали ровные строи атомов и террасы между ними,
изображающие оригинальные ступени роста, или декристаллизации. Ступени имели высоту, равную размеру одного атома (ок. 0,3 нм). Микроскоп позволял не только наблюдать атомы, но и перемещать («толкать») их по поверхности. Слабым смещением напряжения, приложенного к игле, стало возможным «приклеивать» отдельные атомы и затем их «скидывать». Таким путем в 1990 г. в той же компании Д.Эйглеру (Donald Eigler) удалось поместить (перенести) 35 атомов ксенона на определенное место на поверхность никеля.
Следующим краеугольным камнем в обсуждаемой области было открытие в 1985 г. учеными США и Британии фуллеренов, новых структурных модификаций углерода (рис. 10), отмеченное в 1996 г. Нобелевской премией по химии. Затем были достигнуты новые успехи, созданы многочисленные соединения углерода (рис. 3), особенно много с органическими радикалами.
В 1991 г. японские исследователи создали нанотрубки, у которых кольцеобразные структуры фуллерена вытянуты из сфер в длинные трубки разного диаметра (рис. 11).
Рис. 11 - Структура фуллерена Сбо (букминстерфуллерена) в точечном (а), шаровом (б) и полиэдрическом (в) изображениях [при 110 К - гранецентрированная кубическая решетка, а = 1405,2 пм (2 = 4), d (вычисл.) 1,722]. Размер молекулы около 1 нм
Свойства материалов при наномасштабах
Состав и структура вещества, как определяющие факторы для свойств и назначений материала, на наноуровне отходят от обычного понимания ввиду первостепенного проявления квантования и роли величины межфазной границы (interface). Роль квантования проявляется ввиду соразмерности объекта и волновой функции. Последняя в 1111 имеет порядок 10-100 нм и отвечает длинам волн (возбуждению) электронов, фотонов, фононов и магнонов. Указанные возбуждения несут кванты энергии сквозь материю, определяя динамику своего распространения и перехода в другие формы энергии.
Квантовая механика эксплуатируется давно в области электроники твердого тела для направленного перемещения электронов. Это - 1111 устройства с разнообразной послойной структурой, сверхструктуры сплавов в каскадных лазерах для получения дальних инфракрасных излучений, барьеры для перемещения электронов, туннельный эффект, резонирующие туннельные диоды, квантовые скважины в телекоммуникациях, фотонные кристаллы, сверх-структурные кристаллы с послойной дифференциацией диэлектрических свойств.
Распространение фотонов резко меняется, когда размеры и периодичность переходной структуры приближаются к частотам волн видимого света (400-800 нм).
Свойства (магнитные, механические и химические) и поведение наноматериалов
Наноматериалы обладают размерозависимыми магнитными, механическими и реактивно-химическими характеристиками. При размерах в несколько нанометров кластеры обладают единичными магнитными доменами. Сильно спаренные магнитные спины на каждом отдельном атоме объединяются, с тем чтобы образовать свой «гигантский» спин. Такой спин ферромагнитного железа в пределах диаметра 16 нм и менее при комнатной температуре вращается свободно. Эффект обозначен как суперпарамагнетизм. Отмечено увеличение прочности тонкой пленки никеля от 0,15 до 5 ГПа при нанесении на него слоя А120з толщиной 2 нм. Другой пример - упомянутая выше углеродная нанотрубка, имеющая значительно высокую прочность вдоль всей своей длины.
Перспективы
Через подражание природным сверхпрочным наноструктурированным ансамблям (ракушки морских улиток, комбинации карбонатов с клейким гликопротеином) создание экономичных по массе и расходу энергии материалов, к примеру полимер-клей для транспорта. Другое направление - миниатюризация сенсоров (мозги современных контрольных систем). Их десятки в автомобилях - крупных потребителях сырья и материалов, переходящих впоследствии в «шикарный мусор». Другая жизненно важная область назначения будущих микросенсоров - распознавание опасных болезней в организме и лечение.
В области переработки продуктов питания, биоконверсии энергии, в очистке жидких и газовых сред и выделении из них ценных или опасных веществ и создании эффективных топливных элементов необходимы тончайшие фильтры. Важнейшие результаты должны быть получены в изучении роли наночастиц углерода в экологии и охране здоровья. Эти частицы - выхлопы автомобилей, продукты и выбросы предприятий, включая выбросы компонентов фото- и печатной техники, результат износа и утилизация автомобильных шин и ранее связанное с ними массовое производство канцерогенных наночастиц сажи (так называемый технический углерод) и аэросилов (высокодисперсный диоксид кремния). Другие наночастицы, например диоксид титана и другие оксиды, распространены как пищевые добавки или компоненты лекарств. Их выход в воздух, дыхание ими, адсорбция в организм через кожу и другие органы ставят новые проблемы.
Доставка лекарств к нуждающимся в них органам. Более половины создаваемых ежегодно лекарств водонерастворимы, что не гарантирует их усвоение. Их эффективное усвоение, предполагается, будет обеспечено предварительным капсулированием их в на-нодиспергированном состоянии для последующей доставки по назначению. Важно при этом и пролонгированное действие препаратов. Особая роль принадлежит «дендримерам -молекулам с полостями, могущими включать в себя макромолекулы других веществ и отдавать их затем в заранее указанные места в организме.
Допускается использование капсул, покрытых тончайшим слоем золота, способным поглощать свет с различными длинами волн. Поскольку инфракрасный свет способен проникать на несколько сантиметров в глубь тканей, то он может прогревом освободить содержимое капсулы (лекарство) в заданном месте для воздействия на пораженный орган. Помимо этого, к внешней поверхности золота могут прикрепляться антитела, специфически связывающие злокачественные клетки и предохраняющие их от «расползания».
Нанопроцессы, наномашины, нанопродукты приведут к заметному видоизменению материаловедения, информационной технологии (повышение плотности памяти ЭВМ), источников энергии, сельхозпродуктов, медицинского оборудования, фармацевтики.
Биоанализы
Важная область интенсивных исследований в наномедицине - создание и развитие генноуровневого оборудования, способного иметь дело с отдельными генами (ср. описанное выше микроскопическое «общение» с отдельными атомами). Молекулярная биология стремится к пониманию того, какие гены «откликаются» на определенные болезни и лекарства. Окрашенные флюоресцирующие молекулы прикрепляются к целевым биомолекулам для контроля за их концентрацией.
Другое направление биоанализа основано на использовании наночастичных ПП, например селенида кадмия CdSe, излучающего волны разной частоты в зависимости от размера частиц. Частицы могут быть «примеченными» к разным рецепторам, так что для различения окрашивающих молекул будет применен широкий диапазон цветных меток. Частицы разных размеров в полимерных оболочках и через их результирующие длины волн могут читаться компьютером.
Еще вариации - использование золотой наночастицы для раскрепления отдельных сегментов ДНК на разные стороны этой частицы, другая - прикрепление магнитных наночастиц к антителам, которые, в свою очередь. будут способными узнавать биомолекулы и прикрепять себя к ним. Магнитные частицы затем будут вести себя как фиксируемые и управляемые ярлыки, через которые магнитное поле может быть использовано для идентификации, перемешивания, экстрагирования прикрепленных биомолекул в пределах нано-литровых объемов. Магниточувствительные объекты могут подвергаться и многим другим манипуляциям.
Разработаны микрожидкостные системы (labs-on-chips) для микробиохимического анализа, все электронные и механические компоненты которых вмещаются в объем, размером не более кредитной карты. Это важно, например, при анализе ДНК, весьма чувствительного к энтропийному эффекту. Наношкалы прибора позволяют дифференцировать их молекулы с разными длинами без их повреждения. При этом можно ориентироваться на электрические сигналы, подаваемые отдельными блоками молекулы ДНК при прохождении их через нанопоры. В перспективе для корректировки зрения будут реальны микрофотодетекторы, подающие сигнал через оптические нервы от сетчатки глаза в головной мозг. Ряд наносистем предназначен для вживления в нейроны мозга для регулирования двигательных функций организма.
Молекулярная электроника
Еще в начале 70-х годов прошлого века был предположен «допуск» молекул в электронные устройства, однако идея реализовалась лишь в начале нового века. При этом органические молекулы поперечником в полнанометра и длиной в несколько нанометров и ДНК, помещенные на кремниевый чип, могут стать основой миниатюризации видеотранзисторов. Для магнитных хранителей информации становится реальным «плавание» головки над диском на расстоянии всего 10 нм. Возможен значительный рывок в скорости передачи информации за счет создания многократно перемежающихся нанослоев с различными магнитными характеристиками.
Моноэлектронные транзисторы
При наномасштабах величина энергии, необходимая для помещения электрона на отдельный физический островок с преодолением туннельного барьера, становится значительной. Это является основой для компоновки моноэлектронного транзистора, что особенно реально при низких температурах, когда малы термические флуктуации. Устрой-
ство, пригодное для работы при комнатной температуре, должно быть еще более миниатю-ризованным, вплоть до размера в 1 нм.
Нанотрубки и нанопровода
Углеродные нанотрубки (см. рис. 3) могут быть 1111 или эффективными проводниками тока. Совершенные нанотрубки «баллистичны», т.е. ток в них имеет незначительное рассеивание и низкие потери, следовательно, в удельном отношении они являются лучшими проводниками тока. Такой провод диаметром в 1,4 нм в сотню раз меньше, чем ширина запоров в приспособлениях с кремниевыми полупроводниками. Последние, будучи нано-размерными, в свою очередь, используются в экспериментальных устройствах, таких как «полеэффектные» и биполярные транзисторы, инверторы, светоизлучающие диоды, сенсоры, и даже в простых образцах искусственного интеллекта.
Печатные устройства
Наномасштабные впечатывания, штамповка и литье способны перейти в диапазоны размеров в 20-40 нм. Здесь возможно использование способности органических тиолов прочно адсорбироваться на поверхности золота (тонкие слои его). При этом необходимо и возможно проведение всех манипуляций (маскировка, травление, выделение профиля), известных в полиграфии, на ультрамикроуровне.
Многие и далеко еще не предсказуемые для практики коммуникаций системы могут быть реализованы при развитии многих особенностей нанотехнологии и, естественно, наряду с совершенствованием способов получения наночастиц через регулируемую конденсацию атомных паров элементов на поверхности, коалесценсию атомов в жидкости, использование в неводных средах глобул молекул липидов, способных образовывать в своем гидрофильном конце пустоты, и т.д.
Области исследований и объемы информации
Спектр современных поисков в России и мире в рассматриваемой области виден, в частности, и из материалов двух последних Менделеевских съездов по общей и прикладной химии 2003 г. и 2007 г., где доклады и сообщения по нанотехнологии были выделены в отдельные секции [7, 8].
Тематика докладов охватывает области получения и изучения УДЧ веществ различных классов многими методами, включая механо-, электро-, биохимическую, лазерную и стандартные химические методы, а также использование частиц для создания композиционных материалов и покрытий, в том числе КЭП (см. ниже), систем с органическими полимерами (растворы и твердые тела), а также нанотрубок и сенсоров на их основе. Исследуются керамические материалы, стекла, фильтры, поверхностные свойства (адсорбция, катализ и др.). В докладе ВИНИТИ РАН на съезде приводятся следующие данные: по нанонауке, нанотехнологии, наноматериалам, наноизделиям в 2006 г. в мире было опубликовано 38 тыс. статей. Периодические издания с этими публикациями представлены как классические журналы химического и физического профиля, так и новые 83 журнала, полностью посвященные нанотематике. Среди последних 41 журнал издается в США, 15 в Великобритании, 7 в Германии, 5 в Нидерландах и по несколько журналов в других науку создающих странах (Россия, Украина, Китай, Япония, Швейцария). В сумме с рассматриваемой тематикой общаются до 300 периодических изданий. Отметим также некоторые новые монографии [9, 10] и учебные пособия [11-13] в области нанохимии и нанотехнологии.
В заключение следует отметить и личные области интересов авторов в нанотехнологии. В течение последнего десятилетия группой исследователей развивалось важное
направление в области прикладной электрохимии - теория и практика композиционных электрохимических покрытий (КЭП). Рожденное в КХТИ еще в начале 1960-х, оно использует сегодня (в отличие от прошлого) в качестве дисперсной фазы в тонких металлических слоях наночастицы простых веществ (B, C, Si), оксидов (AI2O3, SiO2,TiO2), боридов, карбидов, нитридов. Рождение и развитие этого направления отражено в подробной статье в сборнике [14]. Ряд результатов исследований опубликован, в частности, в [15, 16] и в ежегодных, начиная с 2004 г., материалах Международной научно-технической и методической конференции [17].
Литература
1.Encyclopædia Britannica. Vol. 1-26. 19-th Ed.: Chicago: Encyclopædia Britannica Inc., 2007.
2.Сайфуллин, Р. С. Неорганические композиционные материалы / Р. С. Сайфуллин. М.: Химия, 1983. 304 с.
3.Натансон, Э.М. Коллоидные металлы / Э. М. Натансон. - Киев: Изд -во АН УССР, 1959. - 348 с.
4. Сайфуллин, Р.С. Физикохимия неорганических полимерных и композиционных материалов / Р. С. Сайфуллин. М.: Химия, 1990. 240 с. Saifullin R. S. Physical Chemistry of Inorganic Polymeric and Composite Materials / R. S. Saifullin. New York, London, Tokyo, Singapur: Ellis Horwood Ltd, 1992. 240 р.
5.Сайфуллин, Р.С. Универсальный лексикон: Химия, физика, технология (на рус. и англ. яз.) // Р. С. Сайфуллин, А. Р. Сайфуллин. М.: Логос, 2001; 2002. 448 с.
6.Сайфуллин, Р.С. Достижения естественных наук и эра Нобелевских премий. Progress of Natural Sciences and Era of Nobel Prizes (на рус. и англ. яз.) / Р. С. Сайфуллин, С. В. Водопьянова, А. Р. Сайфуллин. -Казань: Фэн, 2005. 364 с.
7.Сб.: «Материалы и нанотехнологии». 17 Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Казань, 21-26 сентября 2003 г. Тезисы докладов. Т.2.
8.Сб.: «Химия материалов, наноструктуры и нанотехнология». 18 Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. М., 23-28 сентября 2007 г. Тезисы докладов. Т. 2.
9. Уайтсайдс, Д. Нанотехнология в ближайшем десятилетии (прогнозы, направление исследований) / Д. Уайтсайдс, Д. Эйглер, пер. с англ. М.: Мир, 2002. 249 с.
10.Гусев, А.И. Нано- материалы, -структуры, -технологии / А.И. Гусев. -М.: Физматиздат, 2005. - 414 с.
11.Кобаяси, Г.Н. Введение в нанотехнологию / Г.Н. Кобаяси, пер. с япон. - М.: Бином, 2005. - 134 с. 12Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы / Р. А. Андриевский, А. В. Гогуля. М.: Изд.
центр «Академия», 2005. - 192 с.
13.Сергеев, Г.Б. Нанохимия / Г .Б .Сергеев. М.: Книжный дом «Университет», 2006. 336 с.
14.Сайфуллин, Р.С. Рождение нового научного направления // Лидеры научных школ КХТИ-КГТУ / под ред. С. Г. Дьяконова и др. Казань: ЗАО «Новое знание», 2007. С. 203-223.
15.Сайфуллин, Р.С. Нанокомпозиционные электрохимические покрытия с матрицами из меди и хрома / Р.С.Сайфулли. Сер. « Технич. науки». Спец. вып. - 2004. С. 31-38.
16.Сайфуллин, Р.С. Композиционные электрохимические покрытия с матрицами из цинка и олова (серия статей) / Р. С. Сайфуллин и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2006. С. 97-133.
17.Сайфуллин, Р.С. Наноструктурированные композициионные электрохимические покрытия (серия статей) / Р. С. Сайфуллин и др. // Современные проблемы специальной технической химии».
- Казань: Изд-во Казан. технол. ун-та, 2004. С. 872-879; 2006. - С. 673-686; 2007. С. 311-319.
© Р. С. Сайфуллин - д-р техн. наук, проф. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. Р. Сайфуллин.
