НАНОНАУКА И НАНОТЕХНОЛОГИЯ. ОБЩИЙ ВЗГЛЯД

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 539.213; 541.182
Р. С. Сайфуллин, А. Р. Сайфуллин
НАНОНАУКА И НАНОТЕХНОЛОГИЯ.
ОБЩИЙ ВЗГЛЯД – ИЗ ПРОШЛОГО В БУДУЩЕЕ
Нанонаука и нанотехнология – разделы естественных наук, физикохимия изучения и использования ультpамикpочастиц веществ, молекул, двумерных систем или дpугих объектов с pазмеpами в 1–10 нм, или более широко, в
1–100 нм в pазличных областях науки, техники и пpоизводства. 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 дpугих веществ, pазмеpами менее 100 нм, получаемых методами
взpыва, плазмохимии и конденсацией пpи pеакциях в газовой сpеде и в pаствоpах электролитов [аэpосилы, гели, золи (рис. 1), кластеpы (рис. 2), коллоидные металлы, ультрадисперсные 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 (Richard Feynman, об этом см. далее).
Напомним, нано (n-, н...) (< лат. nanоs «каpлик») - пpиставка для обpазования наименования дольных единиц, pавных одной миллиаpдной доле исходных единиц, напpимер, 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, ква5
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.
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)
6
Рис. 3 - Физические характеристики частиц, их классификация и методы идентификации [4]
7
Рис. 4 – Элементарная ячейка букминстерфуллеренида калия (Z = 2) и изображение
нанотрубки из молекул фуллерена С60
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 стpоения частиц и поверхности твердых тел пpименительно к пpоблемам катализа, электроники, тpения и износа (нанотpибология). 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 (Sumio Jijima) в Японии в 1991 г., применяют в современных
средствах освещения (jumbotron 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.
8
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 c 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;
9
2. лидирующим фактором является высокое соотношение поверхность/масса
(объем), т.е. высокая удельная поверхность, определяемая, в частности, для частиц сферической и кубической форм зависимостью Sуд = 6/dl, где d – плотность вещества; l – диаметр шара или величина ребра куба.
Каковы последствия сверхдезинтеграции материи, или конденсации их из атомномолекулярного уровня, до УДЧ, видно на рис. 6–9.
б
а
Рис. 6 – Схемы вынужденного изменения межатомного расстояния при создании
поверхности кристалла: а – уменьшением межплоскостного расстояния; б – образованием атомных пар
Каковы свойства ультpадисперсных 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).
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-
10
фиды d-металлов). УДЧ многих видов тугоплавких веществ (например, B, C, Si, Al2O3 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.
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 (Тc)
как функции ее поперечного размера в виде ребра куба или диаметра шара (d):
Tc = Ttab exp –(γM/∆Hmdρ),
где Ttab – табличная температура плавления; γ – поверхностная энергия; M – молярная масса; ∆Hm – энтальпия плавления; ρ – плотность.
Экспоненциальный характер изменения свойств вещества при переходе его в
ультрамикромир сохраняется также в отношении упругости его паров, для оценки которой
приведем следующее соотношение:
рc = рtab exp –(4γM/RTdρ),
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-
11
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.
Рис. 9 – Изменение энергии Гиббса (∆G) кристалла в зависимости от eго размера r.
Области: А – субзародышей; B – критического зародыша; С – сверхзародышей.
Индексы v и s относятся соответственно к объемной и поверхностной составляющим изменения энергии; rcr – критический радиус кристаллитов. ∆G = – 4/3πr3 ∆Hпр
(∆T/Tпр) + 4πr2γ, где ∆Hпр и Tпр – энтальпия и температура превращения; ∆T – градиент температуры относительно Tпр; γ – межфазная энергия
Что еще известно на сегодня?
И много, и мало. Вот некоторые примеры повышенной активности ультрамикроразмерных 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 K;
в) УДЧ нитрида титана TiN (ТП 2950 °С) способны спекаться при температурах на
900 °C ниже, чем температуры спекания микропорошков этого вещества в классической
порошковой металлургии;
12
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 (a = 358,5 пм, b = 345 пм) в отличие от кубической модификации β-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».
13
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 нанометровых 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
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,
14
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).
а
б
в
Рис. 11 – Структура фуллерена C60 (букминстерфуллерена) в точечном (а), шаровом
(б) и полиэдрическом (в) изображениях [пpи 110 К – гранецентрированная кубическая pешетка, а = 1405,2 пм (Z = 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 ПП 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 – ПП 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, сверхструктурные 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).
15
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
Al2O3 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 нанодиспергированном 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.
16
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 нанолитровых 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. Устрой17
ство, пригодное для работы при комнатной температуре, должно быть еще более миниатюризованным, вплоть до размера в 1 нм.
Нанотрубки и нанопровода
Углеродные нанотрубки (см. рис. 3) могут быть ПП 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 наноразмерными, 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
18
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 (Al2O3, 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 неоpганических полимеpных и композиционных матеpиалов / 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 p.
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.Cб.: «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.
12.Андриевский, 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.
19