Нанотехнологии

Что такое нанотехнологии

Материалы и технологии, ныне известные как наноматериалы и нанотехнологии, были известны человечеству с древних времён. Человек использовал эти материалы и технологии неосознанно. Примером тому являются булатные и дамасские стали, которые являются примером создания наноструктур в компактных материалах методами пластической деформации, а другой пример — тонкослойные покрытия из золота на коже и дереве, известные в Древнем Египте.

И даже с наши времена зачастую использовались наноматериалы со всеми присущими им «странными» свойствами, но неосознанно, как например — ещё в начале ХХ века началось использование упрочняющих свойств нанодисперсного углерода в виде сажи для изготовления прочных автомобильных шин на основе пластичного и мягкого, распадающегося натурального или синтетического каучука.

Приставка нано- происходит от греческого слова «карлик» и служит для обозначения единицы измерения какой либо физической величины равной 10-9 от стандартной метрологической единицы. Таким образом один нанометр — это одна миллионная доля метра. Название нанометр введено в оборот после внедрения международной системы единиц СИ, которое началось в 1961 году. Заметим, что до 1961 года нанометр назывался миллимикроном. Поскольку между наномиром и микромиром нет чёткой границы, то в настоящее время принята условная граница в 100 нм, разделяющая эти два размерных мира.

К наноматериалам относят такие изделия, как плёнки, в которых наноразмеры имеет толщина плёнки, а длина и ширина покрытия могут быть произвольных размеров. Микропровода, диаметр которых менее 100 нм также относятся к изделиям наноиндустрии, хотя длина их также может быть достаточно большой. Объектами нанотехнологии, имеющим наноразмеры по всем трём координатам являются нанопорошки.

Сами термины: наноматериалы, нанонаука, нанотехнология введены в обиход в конце ХХ века. До этого пользовались термином дисперсные системы (ДС) и, начиная с 60-х годов ХХ века — ультрадисперсные системы (УДС).

Понятие дисперсных систем (ДС) появилось с сообщения в 1785 г. Голландскому физическому обществу о наблюдении броуновского движения. В 1857 г. Фарадей с помощью рассеяния света уже знал, что соли золота содержат малые частицы, но дальнейшее изучение ДС в XIX веке носило не более чем описательный характер. Отправной точкой в их аттестации можно считать 1903 г., когда Сьентопф и Жиганди применили ультрамикроскоп, чтобы увидеть частицы золота и оценить их размер. Использование Сведбергом в 1923 г. ультрацентрифуги для определения размеров частиц и их молекулярного веса, концепция адсорбции Лангмюра. объяснение диффузии частиц в среде Эйнштейном, его идеи о дисперсионных силах и дипольных электрических слоях — важные вклады в количественное описание ДС.

С началом научно-технической революции в середине XX столетия и благодаря развитию новых физических методов, значительно увеличивших возможности исследования дисперсных систем сложилось несколько научно-технических направлений, изучавших различные их типы: кластеры, гели, аэрозоли, тонкие и сверхтонкие порошки, нитевидные кристаллы, тонкие пленки и др. Анализируя многочисленные теоретические и экспериментальные данные о резком количественном, а иногда и о качественном изменении свойств самых мелких ДС, Морохов И.Д. и соавторы обратили внимание на физические причины этого. Они назвали ультрадисперсными системами (УДС) такие, у которых морфологические элементы (кристаллиты, частицы, зерна) сравнимы по размеру (в одном, двух или во всех трех измерениях) хотя бы с одной физической величиной или с характерной длиной процесса переноса в этом веществе (длиной свободного пробега электронов или фононов, электрическим или магнитным доменом, дислокацией или дисклинацией и др.). Было отмечено, что для большинства неорганических веществ это соответствует размерам в диапазоне 1 — 100 нм. При небольшом количестве атомов в морфологических элементах УДС это приводит к ограничению действия законов классической физики. Другой причиной, влияющей на специфику свойств УДС, являются большая удельная поверхность и связанная с ней поверхностная энергия. Дополнительная энергия, вызванная экстремальными условиями синтеза и неравновесным состоянием атомно-кристаллической структуры — третья причина особенности УДС.

В настоящее время сложилось устойчивое деление материалов по размерам частиц системы: если размер частиц более 0,1 мкм, то такая дисперсная система относится к микрочастицам, если диаметр частиц системы менее чем 0,1 мкм, но более 0,01 мкм, то такая дисперсная система относится к коллоидам. Ультрадисперсные порошки (УДП), таким образом, относятся к золям или гелям. Ультрадисперсными материалами, таким образом, считаются материалы, в которых хотя бы один из размеров: длина, ширина, толщина менее 0,1 мкм или 100 нм. Сравнительные размеры нанообъектов можно увидеть на рисунке 1.

Не принимая во внимание искусственную сажу и химические катализаторы, можно считать, что первое промышленное производство и применение УДС было налажено еще в 50-е годы прошлого века в атомной промышленности России (СССР) при решении проблем «уранового проекта» , но в открытой печати об этом стало возможным сообщить гораздо позже.

Схематическое сравнение нанообъёктов с микрообъектами

Рис.1. Схематическое сравнение нанообъёктов с микрообъектами

О бурном развитии нанотехнологий и нанонауки в последние десятилетия говорит рост числа патентов и публикаций по проблеме, показанный на рисунке 2.

Количество публикаций и патентов в области наноматериалов и нанотехнологий

Рис.2. Количество публикаций и патентов в области наноматериалов и нанотехнологий.

Если же учесть публикации российских ученых, использующих терминологию «ультрадисперсный» как синоним «нано», то вклад нашей страны займет второе место после США. Следует отметить, что при этом Россия относится к числу 15 стран, имеющих последние годы наибольшее количество публикаций и патентов в области изучения и исследований, по результатам которых количество публикаций возросло по данным с 1981 г. по 1998 г. с нуля до 12000, а число патентов увеличилось за тот же период с 28 до 180-ти.

Работы по целенаправленному синтезу и использованию материалов со структурными элементами наноразмерных величин, как это было сказано выше, были начаты в Советском Союзе ранее, чем в других государствах, ещё в 50-е годы XX века и привели к значительному экономическому эффекту при выполнении «уранового проекта» и создании новых видов ракетного топлива. Уже в это время в СССР начаты исследования особых свойств наноразмерных объектов, которые в то время назывались ультрадисперсными.

Развитие исследований по проблеме весьма точно характеризуется количеством публикаций в той или иной стране. Соотношение между числом публикаций показано в таблице 1. Из этой таблицы видно, что наша страна входит в число пятнадцати ведущих в области нанотехнологии государств мира.

Таблица 1. Количество публикаций и патентов в области нанотехнологии и наноматериалов, опубликованных в 15-ти наиболее активных странах

Количество публикаций

Следует учесть, что рассекречивание исследований фундаментальных особенностей структуры и свойств наноматериалов и наноструктур в нашей стране начато сравнительно недавно, поскольку большинство работ в этой области относится к специальным областям технологии и производства.

Мировой рынок нанотехнологии быстро развивается. Его объем составляет ~ 2,5 млрд. евро. К 2010 г. по прогнозам Еврокомиссии он может составить более 100 млрд. евро, а к 2015 г. достигнет 1 трлн. евро. Сегодня это, в основном, изделия наноэлектроники, оптотроники, средства связи нового поколения, катализаторы, тонкие пленки различного функционального назначения и т. п.

Нанотехнология — это междисциплинарная технологическая область, будь то в электронике, оптике, энергетике, машиностроении или в биофизике, биоинженерии и медицине, оперирующая процессами сборки и самосборки структур пониженной размерности на атомарном и кластерном уровнях, которые позволяют придать неорганическому и органическому материалу принципиально новые физико-механические, химические и эксплуатационные свойства.

В XXI веке нанотехнология может произвести такой же переворот в физическом материаловедении, какой в XX веке произвели компьютеры в информатике, а ее развитие может изменить современный мир больше, чем освоение в свое время письменности, паровой машины, электрической и атомной энергии.

Для эффективного использования имеющихся ресурсов для скорейшего внедрения НТ США, Япония, Германия, Швеция, Франция, Китай и многие другие страны в конце XX -начале XXI столетия приняли национальные программы. Программа США «Национальная нанотехнологическая инициатива» (с объемом финансирования в 2001 г.— 464 млн долл., в 2002 г. — 604 млн долл., в 2003 г. — 710 млн долл.) имеет следующие приоритетные области работ: долговременные фундаментальные исследования в нанонауке и технике; синтез и разработка наносистем с заданными характеристиками; исследования в области концепций наноустройств и архитектуры наносистем; применение наноматериалов и систем к промышленному производству, силовым установкам, энергетике, национальной безопасности и здравоохранению; образование и обучение нового поколения специалистов, необходимых для быстрого прогресса в нанонауке и НТ.

Государственная поддержка наномасштабных исследований создает базу для производства и вызывает коммерческий интерес, а ультрадисперсные (нано-) материалы (УДМ) в последние годы становятся объектом рынка. По данным научно-инновационной фирмы Business Communiations Co. (BCC) производство нанопорошков как товарной продукции в США с 1996 г. по 2001 г. возросло с 41,3 до 148,6 млн долл. (без учета России). Общемировой рынок достиг к 2000 г. объема 492,5 млн долл., при этом лидерами на рынке УДМ являются США (43 %), Япония (29 %) и Германия (16 %). В 1996 г. основная доля производства нанопорошков приходилась на керамические оксиды (61,3 %), а также металлы и сплавы (36,3 %). В 2000 г. ассортимент производимых УДМ претерпел некоторые изменения. Так доля оксидов возросла до 73,4 % при уменьшении доли металлопорошков (26,6 %). При этом наиболее широко производились оксиды SiO2 (28,5 %), А12О3 (22,1 %) и ТiO2 (8,8 %). Основными областями потребления УДМ являются: электроника, оптоэлектроника и магнитные изделия (67 % общего объема производства), фармакология, косметика и биомедицина (19,7 %), производство катализаторов и сорбентов (12,7 %). К 2005 г. рынок УДМ по прогнозу достигнет по сумме оборота не менее 900 млн долл. При этом доля оксидов увеличится до 85,1 %, что во многом связано с большими трудностями сохранения, и соответственно использования, металлических и других однокомпонентных УДМ.

Технологии, определяющие развитие цивилизации в определённые периоды

Рис.3. Технологии, определяющие развитие цивилизации в определённые периоды

Из-за неравновесного характера ультрадисперсного состояния материалов [11] НТ находятся пока только в начальной стадии. Их разработку и промышленное освоение использования УДМ в экономике можно разделить по срокам решения научно-исследовательских задач, на короткие (3-5 лет), средние (5-10 лет) и длительные (более 20 лет), а по техническому уровню создаваемых нанотехнологий и объему материальных затрат— на высокие, очень высокие и сверхвысокие. Сравнивая НТ с созданными ранее высокими технологиями, такими как биотехнология или производство электронных микросистем, можно оценить ее состояние по модели Группа, который выделил 8 стадий в их развитии. Фаза I начинается с научно-исследовательских работ и продолжается до опытно-конструкторских работ, что соответствует II фазе. В III фазе научные базисы становятся понятными и появляются первые технологические разработки. Но возникают трудности в переходе к коммерческим приложениям (фаза IV), которые решаются не сразу, и прогресс новой науки и техники кажется застойным (фаза V). Необходима последующая переориентация исследований к реальным возможностям промышленности (фаза VI), и, когда они освоены, появляются коммерческие применения, которые инициируют широкий фронт все новых и новых прикладных исследований (фаза VII). Наконец, рынок захвачен, новые технологии внедряются все больше и больше, но при этом доля исследований снижается по отношению к производству товарной продукции (фаза VIII). Если такая модель корректна, то по количеству публикаций и патентов, по объему финансирования и другим факторам можно отнести НТ к концу II— началу III фаз Стилизованная поэтапная модель развития ключевых технологий

Рис. 4. Стилизованная поэтапная модель развития ключевых технологий

Пик исследовательской активности нанонауки еще впереди, возможно он наступит через 3-5 лет, а широкомасштабное использование результатов применения НТ может наступить не раньше, чем через 10 лет. Оптимистичный прогноз Роко [9] предполагает, что общемировой рынок НТ достигнет в ближайшие 10-15 лет объема в 1 триллион долларов США ежегодно. При этом основными областями их применения станут следующие: производство УДМ с уникальными свойствами и функциями (оценка их рынка составляет около 340 млрд долл.); электроника (300 млрд долл. составит производство полупроводников и столько же— интегральных схем); здравоохранение для продления жизни и улучшения качества здоровья; фармацевтика (с эффектом выше 180 млрд долл.); химическое оборудование (в 100 млрд долл. оценивается применение эффективного наноструктурного катализа в нефтяной и химической промышленности); транспорт (только для аэрокосмической продукции планируется около 70 млрд долл. в год, а еще УДМ сделают более прочными, надежными и финансово-эффективными дороги, мосты, взлетно-посадочные полосы, трубопроводы и рельсы); жизнеобеспечение (100 млрд долл. для повышения урожая сельскохозяйственных культур, очень важном при увеличивающемся народонаселении, очистки питьевой воды, возобновляемых источников энергии и т.д.

Основной проблемой нанотехнологии является то, что исследователи еще почти ничего не знают о фундаментальных закономерностях поведения отдельных частиц, структур и целых систем в этом пространственном масштабе. Наночастицы одновременно слишком малы (для непосредственного наблюдения и изучения) и слишком велики (например, для квантовомеханических расчетов «из первых принципов», которые в этой области оказываются приближенными).

Исследователи пока не умеют достаточно точно моделировать поведение наночастиц, поскольку их характеристики изменяются во времени и пространстве, а число объединяющихся в наносистемы частиц все еще недостаточно велико, чтобы рассматривать эти системы в качестве статистических ансамблей. Для реального прогресса в производстве наноструктурных материалов, устройств или систем исследователям предстоит значительно углубить фундаментальные представления об их поведении и разработать высокоточные методики оценки их свойств.

В области теории и моделирования за последние годы были получены интересные результаты, но, к сожалению, успехи в этом направлении были связаны в основном с использованием более мощных компьютеров и новых компьютерных программ и лишь в значительно меньшей степени с развитием новых теоретических представлений и моделей. Расширение возможностей вычислительной техники позволило даже объединить несколько разных подходов (например, квантовомеханические расчеты и методы молекулярной динамики) и создать достаточно надежные схемы моделирования наноразмерных объектов, основанные на «первых принципах».

Сегодня еще рано говорить о сколько-нибудь полном моделировании наноразмерных объектов, однако можно наметить некоторые первоочередные задачи общего плана в области их теории и моделирования:

  1. Сокращение времени конструирования новых наноматериалов.
  2. Разработка наноразмерных устройств на основе новых материалов.
  3. Повышение надежности и прогнозируемости поведения разрабатываемых наноустройств.
  4. Создание и оптимизация нанотехнологии.

Из опыта производства кремниевых микроэлектронных устройств известно, что развитие теории и методов моделирования неизбежно приводит к существенному экономическому эффекту (ввиду экономии времени и средств, а также повышения качества продукции). Теория и моделирование — те области, где новые результаты могут быть получены без прямых экспериментальных исследований. Более того, в некоторых случаях именно теория и моделирование позволяют правильно интерпретировать получаемые в эксперименте данные, которые иногда являются неоднозначными (например, из-за сложности эксперимента или усреднения величин в процессе измерения). И наконец, теория и моделирование исключительно важны для изучения функционирования наносистем в живых клетках (которые могут служить моделями для нанотехнологии будущего). Напомним, что именно природные «наномашины» (белки) стали источниками идей для разработки многих наноустройств и наносистем.

Однако для успешного применения в нанотехнологиях современные методы теории и моделирования должны быть значительно усовершенствованы. Например, методы квантовохимических расчетов и молекулярной динамики должны быть развиты до такой степени, чтобы они могли обеспечить оценку поведения наноразмерных материалов и их характеристик (термофизических, термохимических, электрических, магнитных и реологических). Оптимизация наноразмерных материалов и устройств потребует исследования тысяч вариантов конструирования до получения конечного продукта. При моделировании свойств наноматериалов и наноустройств необходимо учитывать все разнообразие условий их эксплуатации и окружения, что, в свою очередь, требует изучения и моделирования их поведения в разных масштабах (молекулярный, нано-, мезо- и макроскопический масштабы) до начала производства и использования.

Указанные технические проблемы моделирования наноматериалов усугубляются сложностью моделируемых объектов. Например, моделируя наноустройства, трудно четко выделить их отдельные компоненты (поскольку их следует рассматривать в качестве составляющих архитектуры более сложных систем), и работа в целом может быть оценена лишь с учетом окружения, а также взаимодействия с макро- и мезомасштабными элементами.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *