Нанотехнології і наноматеріали (матеріали учителя)
На сьогодні основними галузями нанотехнологій є: наноматеріали, наноінструменти, наноелектроніка, мікроелектромеханічні системи і нанобіотехнології.
Галузі науки, пов'язані з нанотехнологіями
Завдання нанотехнологій:
– отримання наноматеріалів із заданою структурою і властивостями;
– застосування наноматеріалів по певному призначенню із урахуванням їх структури і властивостей;
– контроль (дослідження) структури і властивостей наноматеріалів як в ході їх отримання, так і вході їх застосування.
Впродовж всього розвитку науки учені зверталися до питання потенційної важливості маленьких частинок. Наприклад, в 1661 році Р. Бойль описує «крихітні маси, або кластери, яким важко швидко розкластися на складові їх частинки». У 1857 році М. Фарадей публікує статтю в «Філософських Працях Королівського Суспільства», в якій він зробив спробу пояснити, як металеві включення у вітражному склі впливають на його колір. Проте відповідь на це питання зміг дати Г. Мі в роботі, опублікованій в 1908 році в «Анналах фізики». Принципове значення малорозмірних об'єктів було підкреслене Фейманом в 1959 році, коли була запропонована увазі слухачів його лекція при обговоренні проблем мініатюризації «Внизу повним повно місця» [R. Feinman.There‘s plenty of room at the bottom. An invitation to enter а new field of physics.In H. D. Hilbert (ed.), Miniaturization, Reinhold, N-Y., 1961]. Підкреслювалася актуальність робіт в області стискування інформації, створення мініатюрних комп'ютерів, оволодіння молекулярною архітектурою.
Частина ідей Феймана була розвинена Дрекслером, який видав книгу «Машины созидания: пришествие эры нанотехологии» [K. Eric Drexler,Engines of creation. The Coming Era of Nanotechnology, pp.299, Anchor BooksDouble-day , New York, 1986. ]. Ґрунтуючись на біологічних моделях, автор ввів уявлення про молекулярні робототехнічні машини. На противагу традиційному технологічному підходу «зверху-вниз» стосовно мініатюризації інтегральних схем, було звернено увагу на стратегію «знизу-вгору», маючи на увазі поатомну і помолекулярну збірку, про що також згадував Фейман. Проте тільки з появою відповідних методів формування наноструктур лише в 80-і роки був реалізований спосіб отримання малих металевих кластерів.
У 1980 році були проведені дослідження кластерів, що містять менше 100 атомів.
Перспективи використання нанотехнологій
Використання можливостей нанотехнологій може вже в недалекій перспективі принести різке збільшення вартості валового внутрішнього продукту і значний економічний ефект в наступних базових галузях економіки.
У машинобудуванні – збільшення ресурсу ріжучих і оброблювальних інструментів за допомогою спеціальних покриттів і емульсій, широке впровадження нанотехнологічних розробок в модернізацію парку високоточних і прецизійних верстатів. Створені з використанням нанотехнологій методи вимірювань і позиціонування забезпечать адаптивне управління ріжучим інструментом на основі оптичних вимірювань оброблюваної поверхні деталі і оброблювальної поверхні інструменту безпосередньо в ході технологічного процесу.
В автомобільній промисловості – за рахунок застосування наноматеріалів, точнішої обробки і відновлення поверхонь можна добитися значного (до 1,5-4 разів) збільшення ресурсу роботи автотранспорту, а також зниження втричі експлуатаційних витрат (зокрема витрати палива), поліпшення сукупності технічних показників (зниження шуму, шкідливих викидів).
У електроніці і оптоелектроніці – розширення можливостей систем радіолокацій за рахунок застосування фазованих антенних грат з малошумливими СВЧ-транзисторами на основі наноструктур і волоконно-оптичних ліній зв'язку з підвищеною пропускною спроможністю з використанням фотоприймачів і інжекційних лазерів на структурах з квантовими точками.
У інформатиці – багатократне підвищення продуктивності систем передачі, обробки і зберігання інформації, а також створення нової архітектури високопродуктивних пристроїв з наближенням можливостей обчислювальних систем до властивостей об'єктів живої природи з елементами інтелекту; адаптивний розподіл управління функціональними системами, спеціалізовані компоненти яких здібні до самонавчання і координованих дій для досягнення мети.
– У енергетиці (зокрема атомної) – наноматеріали використовуються для вдосконалення технології створення паливних і конструкційних елементів, підвищення ефективності існуючого обладнання і розвитку альтернативної енергетики (адсорбція і зберігання водню на основі вуглецевих наноструктур, збільшення у декілька разів ефективності сонячних батарей на основі процесів накопичення і енергоперенесення в неорганічних і органічних матеріалах з наношаровою і кластерно-фрактальною структурою, розробка електродів з розвиненою поверхнею для водневої енергетики на основі трекових мембран). Крім того, наноматеріали застосовуються в тепловиділяючих і нейтронопоглинаючих елементах ядерних реакторів; за допомогою нанодатчиків забезпечується охорона навколишнього середовища при зберіганні і переробці відпрацьованого ядерного палива і моніторингу всіх технологічних процедур для управління якістю збірки і експлуатації ядерних систем; нанофільтри використовуються для розділення середовищ у виробництві і переробці ядерного палива.
У сільському господарстві – застосування нанопрепаратів стероїдного ряду, суміщених з бактериородопсином, показало істотне (в середньому 1,5-2 рази) збільшення врожайності практично всіх продовольчих (картопля, зернові, овочеві, плодово-ягідні) і технічних (бавовна, льон) культур, підвищення їх стійкості до несприятливих погодних умов.
У охороні здоров'я – нанотехнології забезпечують прискорення розробки нових ліків, створення високоефективних нанопрепаративных форм і способів доставки лікарських засобів до очага захворювання. Широка перспектива відкривається і в області медичної техніки (розробка засобів діагностики, проведення нетравматичних операцій, створення штучних органів).
У екології – перспективними напрямами є використання фільтрів і мембран на основі наноматеріалів для очищення води і повітря, опріснення морської води, а також використання різних сенсорів для швидкого біохімічного визначення хімічної і біологічної дій, синтез нових екологічно чистих матеріалів, біосумісних і биодеградуйованих полімерів, створення нових методів утилізації і переробки відходів. Крім того, істотне значення має перспектива застосування нанопрепаративных форм на основі бактериородопсина. Дослідження, проведені з натуральними зразками ґрунтів, уражених радіаційно і хімічно (у тому числі і чорнобильськими), показали можливість відновлення їх за допомогою розроблених препаратів до природного стану мікрофлори і родючості за 2,5-3 місяці при радіаційних ураженнях і за 5-6 місяців при хімічних.
У військовій промисловості – останнім часом нанотехнології широко використовуються при виготовленні розвідувальних і бойових пристроїв. У Японії і США вже створені зразки «цифрового паперу» – тонкі і гнучкі плівкові масиви наноелектронних схем.
Існує два основних підходи до нановиробництва, або згори-вниз або знизу-вгору. Технологія згори-вниз полягає у подрібненні матеріалу, що має великі розміри (масивний матеріал), до нанорозмірних частинок. При підході знизу-вгору продукти нановиробництва створюються шляхом вирощування (створення) їх з атомного і молекулярного масштабу.
Виробництво на нанорівні відомо як нановиробництво – передбачає масштабних заходів, надійного та економічно ефективного виробництва нанорозмірних матеріалів, конструкцій, пристроїв і систем. Воно включає в себе дослідження, розробку та інтеграцію технологій згори вниз і більш складну – знизу-вгору або процеси самоорганізації.
Наноматеріали (НМ) – це дисперсні і масивні матеріали, що містять структурні елементи (зерна, кристаліти, блоки, кластери), геометричні розміри яких хоч би в одному вимірі не перевищують 100 нм, і що мають якісно нові властивості, функціональні і експлуатаційні характеристики. Об’єкти із розмірами в межах 1-100 нм, прийнято вважати нанооб’єктами, але такі обмеження є досить умовними. При цьому, дані розміри можуть стосуватися як всього зразка (нанооб’єктом виступає увесь зразок), так і його структурних елементів (нанооб’єктом виступає його структура). Геометричні розміри деяких речовин представлені в табл. 1.1 та рис. 1.1
Основні переваги нанооб’єктів та наноматеріалів полягають у тому, що через малі розміри в них проявляються нові особливі властивості, які не характерні цим речовинам у масивному стані.
Властивості наноматеріалів визначаються їх структурою, для якої характерна велика кількість меж поділу (межі зерен і потрійних стиків – лінії зустрічі трьох зерен). Вивчення структури є одним з найважливіших завдань на-ноструктурного матеріалознавства. Основний елемент структури – зерно або кристаліт.
Класифікація за розміром. За розмірною ознакою нанооб’єкти поділяють на три типи квазі-нульмірні (0D), квазі-одномірні (1D), двовимірні (2D).
Нанооб’єкти квазі-нульмірні (0D) – це наночастинки (кластери, колоїди, нанокристали і фулерени) що містять від декількох десятків до декількох тисяч атомів, згрупованих в зв’язки або ансамблі у формі клітини. В цьому випадку ча-стинка має нанометрові розміри в усіх трьох напрямках.
Наночастинка – це квазі-нульмірний нанооб’єкт, у якого усі характерні лінійні розміри мають один порядок вели-чини. Як правило, наночастинки мають сферичну форму і, якщо вони мають яскраво виражене упорядковане розташування атомів (чи іонів), то їх називають нанокристалі-тами. Наночастинки з вираженою дискретністю енергетичних рівнів часто називають «квантовими точками» або «штучними атомами», найчастіше вони мають склад типових напівпровідникових матеріалів.
Нанооб’єкти квазі-одномірні (1D) – вуглецеві нанотрубки і нановолокна, наностержні, нанодроти, тобто циліндричні об’єкти з одним виміром в декілька мікрон і двома нанометровими. В даному випадку один характерний розмір об’єкту, принаймні, на порядок перевищує два інші.
Нанооб’єкти двовимірні (2D) – покриття або плівки товщиною в декілька нанометрів на поверхні масивного матеріалу (підкладці). В цьому випадку тільки один вимір – товщина має нанометрові розміри, два інших є макроскопічними.
Основні терміни.
Наночастинками називають частинки, розмір яких менше 100 нм. Наночастинки складаються з 108 або меншої кількості атомів, і їх властивості відрізняються від властивостей об’ємної речовини, що складається з таких же атомів.
Наночастинки, розмір яких менше 5-10 нм, називають нанокластерами. Слово «кластер» утворилося від англ. сluster – скупчення, китиця. Зазвичай в нанокластері міститься до 1000 атомів.
Фуллерени – кластери із понад 40 атомів вуглецю, формою кулеподібні, що є, каркасні структури, що нагадують футбольний м'яч. Фуллерени отримали свою назву на честь архітектора Фуллера, який придумав подібні структури для використання їх в архітектурі.
У 1991 році були виявлені довгі вуглецеві структури, що отримали назву нанотрубок.
Нанопористими речовинами є пористі речовини з нанометровим розміром пір. Розміри нанопір знаходяться в межах 1-100 нм. При зменшенні пір у наноматеріалів з'являються нові здібності до фільтрації і сорбції різних хімічних елементів.
Нанодисперсії – системи, що складаються з рідкої фази з рівномірно розчиненими в ній наночастинками. Сьогодні нанодисперсії в основному застосовуються в медицині і косметиці.
Плівки, або шари, зібрані з напівпровідникових матеріалів, називають гетероструктурами. Найтонша плівка складається з одного атомного шару речовини, нанесеної на тверду або рідку поверхню. Такі плівки називають плівками Ленгмюра-Блоджетта. Напівпровідникові гетероструктури використовуються для створення яскравих світлодіодів, лазерів і інших напівпровідникових приладів сучасної мікроелектроніки.
Можливості застосування нанотехнологій та наноматеріалів
Одяг
Нанотехнології стають доступними не тільки космонавтам і професійним спортсменам. Звичайна бавовняна або шовкова тканина, в яку додані заряджені іони металу, відштовхує пил, не промокає, вбиває мікроби, відлякує комах.
Косметологія
Кращий стоматолог - зубна паста, вважає японська компанія, яка випускає зубну пасту з наночастками. Дослідникам вдалося синтезувати гідроксіапатит - основний компонент зубної емалі - у вигляді наночасток. Такий гідроксіапатит утворює захисну плівку на поверхні зубної емалі і навіть відновлює її в місцях пошкоджень.
Медицина
В останні роки швидкими темпами розвивається також наномедицина, яка привертає загальну увагу не тільки науковими досягненнями , а й соціальною значимістю. Під цим терміном сьогодні розуміють застосування нанотехнології в діагностиці, моніторингу та лікуванні захворювань. Розвиток наномедицини тісно пов'язано з революційними досягненнями геноміки та протеоміки, які дозволили вченим наблизитися до розуміння молекулярних основ хвороб. Наномедицина розвивається там, де дані геноміки та протеоміки поєднуються з можливостями, що дозволяють створити матеріали з новими властивостями на нанометровому рівні. Виділяють 5 основних областей застосування нанотехнологій у медицині: доставка активних лікарських речовин, нові методи і засоби лікування на нанометровому рівні, діагностика in vivo, діагностика in vitro, медичні імплантати.
Не так давно в США була створена нанотехнологія лікування інфарктів методом введення в організм біомолекулярних роботів, що заповнюють і загоюють рану в серцевому м'язі. Відомі патенти на наногільзи, які знищують хворі ракові клітини, не завдаючи шкоди здоровим. До речі, у США розвиток біотехнологій розглядається в якості основного двигуна інновацій, який має сприяти конкурентоспроможності північноамериканських продуктів на світовому ринку. Приватні інвестиції в біотехнології в США перевищують державні, і це свідчить як про достатній рівень зрілості нанорозробок, так і про їх високий економічний потенціал.
Господарство
Поверхні (скло, метал, фаянс і т.д.), оброблені наноплівкою, ефективно захищені від дії зовнішнього середовища строком від декількох місяців до декількох років (при прибиранні потрібні менш агресивні миючі засоби, багато поверхонь можна чистити тільки водою). При цьому тканина не міняє своїх характеристик. Завдяки наночасткам, фарба Behr NanoGuard Paint стає надстійкою до подряпин і стирання, що неможливе для звичайної акрилової фарби на латексній основі. Добавка NanoGuard також робить фарбу стійкою до вологи і грязі і перешкоджає утворенню цвілі.
Фотокаталітичне скло або покриття, що самоочищається, дозволить не мити лобове скло машини. Носії інформації на твердотільній флеш-нано-пам'яті досягли ліліпутських розмірів завдяки окремим компонентам цієї пам'яті (в основному транзистори-ключі), вони зроблені з точністю менше 100 нанометрів.
І, нарешті, те, що вже щільно увійшло до нашого побуту: кондиціонери, пральні машини, холодильники, очищувачі повітря, в яких використана універсальна технологія, заснована на використанні наночасток срібла, яке є сильними антисептиками.
Наноїжа
Останні роки світові гіганти харчової промисловості використовували в своєму виробництві різні наукові інновації. Дослідження по використанню нанотехнології в цій галузі продовжуються, і навіть введений термін для продуктів такого виробництва: «наноїжа». Він означає, що в технології будуть використані вкраплення наночасток, здатних послужити появі зовсім фантастичних товарів. Нанотехнології також можуть надати харчовикам унікальні можливості по контролю якості і безпеки продуктів в процесі виробництва. Йдеться про діагностику із застосуванням різних наносенсорів, здатних швидко і надійно виявляти в продуктах наявність забруднень або несприятливих агентів.
Зв’язок
Нанотехнології та наноінженерія на сьогоднішній день є найбільш перспективним напрямком у розвитку світової науки. Наноматеріали стали причиною справжнього прориву у багатьох галузях, і проникають в усі сфери нашого життя. Так, наприклад, компанія NaturalNano розробила особливу фарбу, яка блокує небажані сигнали стільникового телефону за бажанням власника.
Така новинка припаде до смаку власникам великих компаній, що надають своїм співробітникам безлімітні Мегафон, Білайн або МТС, таким чином, вони зможуть на час заборонити розмови по мобільниках, наприклад, у момент проведення конференції.
Будівництво
Конструкційні композитні матеріали, створені на основі нанотехнологій, вражають своєю міцністю, яка у багато разів перевершує свої традиційні аналоги, нові види сталей практично не схильні до корозійних впливів. Варто також звернути увагу на вже застосовуються розробки з виробництва енергозберігаючих наноплівок для світлопрозорих конструкцій, що самоочищаються покриттів, і паропроникливого скла.