Нанотехнологии. Правда и вымысел

Виктор Балабанов, Иван Балабанов

Нанотехнологии: правда и вымысел

Памяти нашего отца и деда Ивана Ивановича

Введение

Несомненно, нанотехнология остается ключевым понятием начала XXI века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

Нанонаука продолжает стремительно развиваться. Разрабатываются новые устройства и материалы, появились новые термины и определения, произошел ряд знаковых событий у нас в стране и за рубежом в этой области.

Здесь приводятся базовые термины и определения, исторические аспекты развития научного направления, рассматриваются некоторые природные наноэффекты и виды наноструктур, а также методы их искусственного получения, приводятся примеры практического использования нанотехнологий в энергетике и электронике, машиностроении и строительстве, медицине и косметологии, сельском хозяйстве, военной промышленности и т. д.

Большое внимание уделено реальным достижениям практической нанотехнологии, в основном отечественной науки и производства, более подробно рассказывается об исследованиях и достижениях наших соотечественников (как в России, так и за рубежом).

Нам хотелось бы представить вашему вниманию достаточно простую книгу, чтобы она была интересна и полезна школьнику и пенсионеру, аспиранту и бизнесмену, чтобы ее можно было почитать в библиотеке или аудитории, дома или в пути, а что из этого получилось – судить вам, дорогие читатели.

Надеемся, что при чтении каждый из вас сможет сделать для себя неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

С уважением,

Виктор Балабанов,

Иван Балабанов

Глоссарий

А

Абляция (лат. ablatio – отнятие) – многозначный физический термин, обозначающий процесс сноса вещества с поверхности твердого тела обтекающим потоком. В физике твердого тела – удаление (испарение) вещества с поверхности под воздействием лазерного излучения.

Агрегация (лат. aggregatio — присоединение) – 1) процесс объединения элементов в одну систему; 2) объединение, симулирование каких-либо однородных показателей с целью получения более общих показателей.

Аденовирус (adenovirus, лат. adeoides, от греч. ade — железа и лат. virus — яд) – представитель группы ДНК-вирусов, вызывающий у человека инфекционные заболевания верхних дыхательных путей, напоминающие обычную простуду, желудочнокишечные инфекции или одну из разновидностей раковых опухолей. Приставка «аден-» (aden-) указывает на связь объекта с железой или железами.

Адроон (древнегреч. адрос – сильный, тяжелый) – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными с точки зрения кварковой теории (см. Кварк).

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) – процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела.

Актюатор (англ. actuator — привод, пускатель) – исполнительное устройство, передающее воздействие на объект. В технике под актюатором обычно понимается преобразователь входного сигнала (электрического, оптического, механического и др.) в выходной сигнал (см. Наномотор), действующий на объект управления. Актюаторами являются: электродвигатели, электрические, пневматические и гидравлические приводы, релейные устройства и т. д.

Аллотропия (греч. аллос — иной, тропос – поворот, свойство) – существование одного и того же химического элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

Ассемблер (наноассемблер, конструктор) (англ. assemble — собирать) – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе производить (собирать) из набора атомов молекулы путем механохимии. Ассемблер включает в себя мощный нанокомпьютер, комплекс наноманипуляторов и наносенсоров, то есть это молекулярная машина, которую можно запрограммировать на построение практически любой молекулярной структуры или устройства из более простых химических строительных блоков, подобие управляемого компьютером механического цеха.

Атом (древнегреч. атомос — неделимый) – частица химического элемента, сложное, делимое тело. Атом состоит из облака электронов, окружающих плотное ядро, которое в тысячи раз меньше, чем сам атом. Наномашины будут работать не с ядрами, а с атомами.

Атто… (лат. atten — восемнадцать) – приставка к наименованию единицы физической величины, служащая для образования дольной единицы, равной 10¹⁸ от исходной. Сокращенное обозначение: русское – а, международное – а. Например, 1 ас (аттосекунда) = 10¹⁸ с.

Аэрогель (от лат. aero — воздух и gelatus — замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают одновременно рядом уникальных свойств: очень низкой плотностью, высокой твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т. д. Известны аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, углерода, оксидов хрома и олова.

Б

Балк-технология (англ. bulk-technology) – технология, основанная на манипуляции совокупностями атомов и молекул (массовая технология или материал), а не индивидуальными атомами.

Белок зеленый флуоресцентный (англ. green fluorescent protein, GFP) – белок, обладающий зеленым свечением при освещении светом определенной длины волны. Впервые был выделен из медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. GFP стал одним из важнейших инструментов в биохимии, молекулярной биологии и бионанотехнологии.

В

Вирус (лат. virus — яд) – частица микро– или наноразмеров, способная инфицировать клетки живых организмов. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Вирусы являются потенциальными объектами для использования в бионанотехнологиях.

Вискеры (от англ. whisker — волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) – нитевидные кристаллы с диаметром от 1 до 10 мкм и отношением длины к диаметру больше 1000, являются одним из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств.

Г

Геомодификатор (греч. геос — земля) – специальная микро– или нанодобавка в топливно-смазочные материалы и технологические среды на базе минералов геологического (реже – искусственного) происхождения, которые могут вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения.

Гетероструктура (греч. гетеро – союз, товарищество) – комбинация нескольких гетеропереходов (контакт двух разных полупроводников), используемая для создания потенциальных ям для электронов и дырок в слоистых полупроводниковых структурах и применяемая в полупроводниковых лазерах и светоизлучающих диодах.

Графен – углеродный наномонослой, в котором связи C–C образуют правильные графитовые шестиугольники («пчелиные соты»).

Д

Дендримеры (греч. дендрон — дерево, англ. dendritic — ветвящийся, древовидный) – относительно новый класс химических соединений (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующихся при соединении молекул, которые обладают ветвящейся структурой (древообразные полимеры).

Дизассемблер – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе отделять атомы от молекул, записывая при этом их месторасположение на молекулярном уровне. Пара «ассемблер – дизассемблер» сможет создавать копии любых макрообъектов.

Диссипация (лат. dissipatio – рассеяние) – процесс необратимого рассеивания (или возврата) энергии, полученной системой в различных процессах (например, при трении).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – молекула, содержащаяся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. Представляет собой полимерный остов из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому прикреплены азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин). Молекула ДНК – это двойная нуклеотидная наноцепь с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм. Она является носителем генетической информации и наследственных признаков и заряжена отрицательно, так как фосфат в ее составе несет отрицательный заряд.

Дуга фуллереновая – дуговой метод получения фуллеренов, основанный на термическом разложении графита при электролитическом нагреве графитового электрода или лазерном облучении поверхности графита.

З

Золь-гель технология – технология получения микро-и наноструктурированных материалов из коллоидного раствора в процессе конденсации и образования полимерной пространственной сети с жидкой фазой (геля). Дальнейшее применение этой технологии позволяет, в частности, получать аэрогели (см. Аэрогель).

И

Индентор (англ. indentation – вдавливание, идентирование, лат. into – внутрь) – твердый предмет определенной геометрической формы (шар, конус, пирамида) и размеров, вдавливаемый в поверхность исследуемого материала под действием заданной нагрузки или собственного веса (для измерения твердости). Изготавливают обычно из алмаза, сапфира, твердого сплава и т. п.

К

Кантилевер (англ. cantilever – консоль) – устоявшееся название наиболее распространенной в сканирующей атомносиловой микроскопии конструкции микромеханического подвижного зонда, которая служит для измерения отклонения зонда и позволяет изучать диэлектрические материалы.

Квант (лат. quantus — сколько) – неделимая часть материи. Например, квант света – элементарная часть (порция) света, то же, что фотон. В основе понятия лежит представление о том, что любая физическая величина может принимать только определенные, а не произвольные значения (то есть физическая величина квантуется).

Кварк (англ. quark — предположительно звукоподражание крику морских птиц) – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/з, не наблюдается в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в том числе протон и нейтрон.

Кевлар (англ. kevlar®) – синтетическое волокно прочнее большинства сталей, создано американской фирмой Du Pont de Nemours & Co. Один из самых прочных материалов, доступных на рынке. Используется в аэрокосмическом конструировании, пуленепробиваемых жилетах и в случаях, когда требуется обеспечить высокую прочность при малой массе.

Кибернетика (древнегреч. кибернетике — искусство управления; древнегреч. кибернао — правлю рулем, управляю; древнегреч. кибернитис — кормчий) – наука об общих законах управления, получения, хранения, передачи и переработки информации в машинах, организмах и обществе.

Киборг (от англ. cybernetic organism — кибернетический организм) – биологический организм, содержащий электронные и механические компоненты. В ряде случаев, наоборот, подразумевается робот, содержащий биологические структуры, например мозг.

Кластер (англ. cluster – объединение) – совокупность двух или более однородных элементов (атомов или молекул), которая может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.

Клейтроника (англ. clay – глина, claytronics – «умная» глина) – новая область в науке и технологии, рассматривающая возможность сборки различных конструкций из отдельных унифицированных строительных блоков-роботов микроскопических размеров.

Когнитивность (лат. cognitio — познание, изучение, осознание) – термин, используемый в нескольких различных контекстах; обозначает способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.

Коллайдер (англ. collide — сталкиваться) большой адронный (Large Hadron Collider, LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) с целью изучения продуктов их соударений. Построен под Женевой (на границе Швейцарии и Франции) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) и на настоящий момент, является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Композит (композиционный материал) (лат. compositio — составление) – многокомпонентные материалы, состоящие из керамической, полимерной, металлической, углеродной или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и других материалов.

Конгломерат (лат. conglomeratus – скопившийся, собранный, скученный) – механическое соединение чего-либо разнородного.

Конденсат Бозе – Эйнштейна — среда из суперхолодных элементов, которые отталкиваются друг от друга, находясь в одном-единственном низкоэнергетическом квантовом состоянии (фактически пятое состояние вещества). Подобное явление наблюдается в экситоне.

Кондиционер (рекондиционер) металла (поверхности) (англ. condition – состояние) – вещество и механизм воздействия на металл (поверхность), позволяющий модифицировать, структурировать, восстанавливать структуру и состав металла (поверхности). Также придает трущимся поверхностям высокие антифрикционные и противоизносные свойства; воздействует, доставляя необходимые компоненты (среду и энергию) от внешних источников (препаратов).

Концепция «зеленой слизи» (англ. green goo problem) – гипотетическая опасность возможности создания разрушительных вирусов и бактерий, которые, быстро размножаясь, уничтожат всю жизнь на планете, разобрав белковые структуры на отдельные молекулы.

Концепция «серой слизи» (англ. grey goo problem) – гипотетическая опасность создания неуправляемых универсальных молекулярных самосборщиков, обученных делать из окружающей среды себе подобные копии, которые сразу же после создания начнут штамповать клоны из доступных молекул и в конце концов всю Вселенную превратят в однообразную серую массу, состоящую только из себе подобных нанороботов.

Кристалл фотонный (греч. кристаллос — лед, хрусталь) – структуры с периодическим изменением коэффициента преломления, влияющие на движение фотонов по аналогии с периодичностью кристаллической решетки обычных кристаллов. Период фотонных кристаллов составляет порядка половины длины волны света: от нескольких десятков до сотен нанометров.

Л

Лаборатория ассемблерная закрытая – рабочее пространство, содержащее ассемблеры, которое закрыто со всех сторон таким образом, что информация может течь внутрь и наружу.

Лептон (греч. лептос — легкий) – фундаментальная частица с полуцелым спином, не участвующая в сильном взаимодействии.

Лиганд (лат. ligo — связываю) – атом, ион или молекула, непосредственно связанные с одним или несколькими центральными (комплексообразующими) атомами в комплексном соединении с образованием «координационной» донорно-акцепторной связи, являющиеся донором электронной пары. При присоединении лиганда к центральному атому химические свойства комплексообразователя и самого лиганда часто претерпевают значительные изменения.

Липосома (мед. liposome, греч. липос — жир и сома — тело, строение) – микроскопический сферический мембранный пузырек (диаметром 2030 нм), искусственно полученный в лабораторных условиях путем добавления водного раствора к фосфо-липидному гелю.

Литография (греч. литос — камень и графо — пишу) – технология переноса рисунка с шаблона на поверхность пластины с помощью светового излучения (фотолитография), потока электронов (электронно-лучевая литография) или рентгеновского излучения (рентгенолитография).

Лонсдейлит (англ. Lonsdaleite) – гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита (а = 0,252 нм, c = 0,412 нм) и плотностью 3,51 г/см³. Найден в 1967 году в метеорите, а затем получен искусственно.

Лотос-эффект (нем. Lotus-effect®) – изначально природное явление несмачиваемости и самоочистки листьев и цветков ряда растений (лотоса, тюльпана и др.), крыльев насекомых. Впоследствии – комплекс технических и технологических решений, широко применяемых в автомобильном сервисе.

М

Масштабный эффект (англ. indentation size effect) – явление, заключающееся в росте твердости при низких и сверхнизких усилиях внедрения индентора (около мкН), которые приводят к образованию отпечатков нанометровой глубины. При нагрузках ниже некоторых критических (зависящих от природы материала, температуры, формы индентора и т. д.) практически все материалы начинают демонстрировать в контакте упругое поведение.

Мембрана (лат. membrana — кожица, перепонка) – тонкая упругая оболочка (перегородка), разделяющая вещества, но обеспечивающая пропускание определенных его компонентов. Например, в биологических системах – для осуществления обмена веществ между клетками; в технических системах – для фильтрации жидких и газообразных сред.

Метаматериал (греч. мета – сверх, за пределами) – композит, обладающий свойствами, которые не встречаются в природе, в частности отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостью. В нанотехнологии метаматериалы могут использоваться для разработки так называемых плащей-невидимок.

Метод ALD (Atomic Layer Deposition) — «атомно-слоевое осаждение» материала на заданную поверхность; метод основан на хемосорбции из газовой фазы и является цикличнодискретным процессом.

Метод CVD (Chemical Vapor Deposition) – «химическое газофазное осаждение» металлов, сплавов или химических соединений на заданную поверхность; метод наномодификации армирующих волокон.

Метод PVD (Physical Vapor Deposition) – метод нанесения нанопокрытия, при котором металлы, сплавы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии или бомбардировки частицами. Иными словами, материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки (физическое распыление с осаждением).

Микроскоп атомный силовой – прибор, который позволяет рассматривать атомы не только металлов, но и других химических веществ.

Микроскоп туннельный растровый – прибор, основанный на возникновении туннельного тока между поверхностью проводника и металлическим острием, удаленным от нее на расстояние около 0,1 нм. При сканировании за счет изменения этого расстояния можно получить рельеф образца с точностью до размеров атомов и молекул. Туннельный растровый микроскоп – основная инструментальная база современных нанотехнологий.

Миметика (др. – греч. миметос – подобие, воспроизведение, подражание, лат. mimesis – подражание) – самовоспроизводящаяся интеллектуальная структура (конструкция), которая может воспроизводиться и эволюционировать, например политические теории, религии, система и т. д.

Мицелла (новолат. micella от лат. mica – крошечка) – частица общим диаметром 10^-7-10^-9 м в коллоидных системах, которая состоит из нерастворимого в данной среде ядра, окруженного стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя.

Молекула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) – наименьшая (простейшая) структурная единица (частица) вещества, которая состоит из атомов, связанных химическим путем.

Н

Нано… (греч. нанос – карлик) – приставка для образования наименования дольных единиц, равных одной миллиардной доле исходных единиц. Обозначения: русское – н, международное – n. Пример: 1 нм (нанометр) = 10⁹ м = 10 А.

Наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.

Наноинженерия изделия (объекта) – изготовление (сборка) изделия или объекта по принципу «снизу вверх» методами силовой зондовой микроскопии (в перспективе – с помощью нанофабрик) с заданными функциональными свойствами для использования на нужды человека.

Наноинженерия поверхности (фр. ingenieur, от лат. ingenium — способность, изобретательность) – методы и технологии формирования поверхностей деталей на наноразмерном уровне с оптимальными прочностными и триботехническими свойствами.

Наноклетки искусственные – нанороботы, дублирующие функции естественных биологических клеток. Размер этих искусственных клеток может быть меньше размера оригиналов, а сами они, как правило, лучше функционируют.

Нанокомпьютер – компьютер, сделанный из компонентов (механических, электронных или др.) в масштабе нанометра.

Нанокристалл – единица наноструктуры, наименьшее количество вещества в кристаллической форме.

Нанолитография — создание «правильных» групп атомов и молекул на подложке из обычного вещества. Это шаг к разработке и конструированию первых деталей наномашин, в том числе ассемблера.

Наноматериал – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и благодаря этому обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наномедицина – слежение, исправление, конструирование и контроль биологических систем человека на молекулярном уровне с использованием наноустройств и наноструктур.

Нанопланктон (лат. nanus — карликовый, греч. планктон — блуждающие) – разнородные карликовые (размером 2-20 мкм) микроорганизмы, которые можно отделить от воды только с помощью центрифуги; не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.

Нанопурга (наношумиха) (англ. nano-hype, от англ. hype — обман) – околонаучные спекуляции (ажиотаж – франц. agiotage — сильное возбуждение, борьба интересов вокруг какого-либо дела, вопроса) в средствах массовой информации, в государственных и коммерческих структурах вокруг разработок в области нанотехнологий.

Наноробот (нанобот) – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, изготовленное с атомарной точностью. Обладает функциями движения, обработки и передачи информации, а также выполнения программ.

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, обусловленных проявлением наномасштабных эффектов и явлений (например, квантово-размерных, синергетически-кооперативных, «гигантских» и др.).

Наноструктура – нанокристаллы, соединенные между собой силами Вандер-Ваальса (при участии электронного газа).

Наносхема — печатная плата, созданная с применением нанотехнологий благодаря возможности получать транзисторы сверхмалых размеров, точно позиционируя отдельные атомы.

Нанотехника – междисциплинарная область науки, которая изучает закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами и молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Нанотехнология (по Танигучи) – процесс разделения, сборки и изменения свойств материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой вещества.

Нанотехнология инкрементная (англ. increment – возрастание, увеличение) – технология значительного усовершенствования существующих продуктов за счет применения наноматериалов.

Нанотехнология молекулярная (по Дрекслеру) – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. В результате объекты получают принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. В более широком смысле – методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнология прикладная – рассматривает задачи и конкретные способы практического применения (реализации) нанотехнологий на нужды человечества.

Нанотрибология – раздел трибологии, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.

Нанотрубка (англ. carbon nanotube, CNT) – трубка нанометрических размеров, состоящая из отдельных атомов углерода и имеющая искусственную структуру. Предназначена для коммуникаций, передачи энергии и сигналов, а также построения новых материалов на базе углерода.

Наноэнергия – количество энергии (теплоты), необходимое для нагрева одного грамм-атома наноструктуры от температуры абсолютного нуля (-273 °C) до полного испарения (возгонки) при температуре кипения.

Номекс (англ. nomex^®) – синтетическое мета-арамидное волокно (полное название мета-фенилендиамин-изофталамид), созданное фирмой Du Pont de Nemours & Co. Полимерная цепочка имеет меньшую прочность, по сравнению с пара-арамидом кевлар, однако является более гибкой, что придает ей хорошие текстильные свойства. Стойкость волокна номекс к изгибу в три раза выше, чем полиэфира. Вследствие высокой термостойкости применяется для фильтрации горячих газов, при изготовлении одежды для пожарных и т. д.

Нуклеация (лат. nucleus — ядро) – первая временная стадия (фаза) наступления фазового перехода от одного агрегатного состояния вещества к другому. Подразделяется на гомогенную (протекающую в однородных средах) и гетерогенную (протекающую в гетерогенных системах). При последней инородные частицы (ионы, пылинки, загрязнения и т. п.) выступают в качестве гетерогенных центров, на которых и зарождаются капли нового агрегатного состояния вещества.