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, желудочно-кишечные инфекции или одну из разновидностей раковых опухолей. Приставка «аден-» (aden-) указывает на связь объекта с железой или железами.

Адроо́н (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.

П

Пико… (исп. pico — малая величина) — приставка для образования наименования дольных единиц, по размеру равных 10–12 исходной единицы. Обозначения: русское — п , международное — р. Пример: 1 пФ (пикофарада) = 1012 Ф.

Плазма (греч. пласма — вылепленное, оформленное) — в физике и химии — полностью или частично ионизированный газ, иногда называемый четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Поверхность (межфазная граница) — общая часть двух смежных областей пространства различного фазового состояния, обычно толщиной в несколько атомных слоев.

Поверхность ювенильная (лат. juvenilis — юный) — так в трибологии принято называть поверхности, свободные от оксидных пленок и различного рода загрязнений, образующиеся в результате контакта (трения) одной поверхности о другую и обладающих повышенным энергетическим потенциалом.

Препаратремонтно-восстановительный (эксплуатационный) — специальный препарат автохимии, содержащий комплекс химически и поверхностно-активных веществ и предназначенный для восстановления триботехнических свойств поверхности трения и технических характеристик обработанной техники.

Препреги (сокр. от англ. pre-impregnated — предварительно пропитанный) — слоистые наполнители (стеклоткани, углеродные ткани), пропитанные термореактивным связующим, частично отвержденные. Нанокомпозиционные препреги можно успешно применять для изготовления корпусов самолетов и вертолетов, лопастей ветроэнергетических установок и т. д.

Пленка сервовитная (лат. servo vitte — спасать жизнь) — особая структура на поверхностях трения толщиной в несколько сотен нанометров, характерная для эффекта безызносности. В ней реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам.

Р

Реметаллизант (металлоплакирующая, присадка)

(франц. plaquer — покрывать) — порошковая или ионная микро-или нанодобавка на основе пластичных металлов к топливносмазочным материалам, технологическим и другим средам, реализующая эффект избирательного переноса при трении (эффект безызносности).

Репликатор (франц. replique, итал. replica, от лат. replico — повторяю, отвечаю) — наноробот, способный к созданию своей копии, то есть самовоспроизводству. Наиболее очевидные примеры репликаторов — ДНК-последовательности, так как они многократно копируются при делении клеток. Может быть пассивным или активным, конечным или бесконечным.

С

Сажа — аморфный (греч. а — не— и морфи — вид, форма; не имеет кристаллической структуры и, в отличие от кристаллов, не расщепляется с образованием кристаллических граней) углерод — продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях, например при работе дизельных двигателей. Размер большинства частиц сажи, например, в дизельной эмиссии — от 50 до 180 нм.

Светодиод (LED-светодиод) (англ. light-emitting diode, LED) — прибор, основанный на наноразмерных гетероструктурах; преобразует электрический ток в световое излучение.

Сенсор (англ. sensor — датчик) — первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал; широко применяется при построении систем автоматизированного управления.

Сервис безразборный (англ. service — производить осмотр и текущий ремонт) — комплекс мероприятий, направленных на осуществление операций технического обслуживания и ремонта агрегатов без проведения разборочно-сборочных операций. Может включать операции обкатки, диагностики, профилактики, автохимического тюнинга, очистки и восстановления как отдельных трущихся соединений, так машин и механизмов в целом.

Серпентин (лат. serpens — змея, змеевик (устар.)) — минерал группы магниево-железистых гидросиликатов с цветом от зеленовато-желтого до темно-зеленого и пятнами, делающими его похожим на змеиную кожу. Является одним из активных компонентов многих ремонтно-восстановительных нанопрепаратов, особенно геомодификаторов.

Сингулярность (лат. singularis — единственный) — единичность существа, события, явления. В общем виде — точка во временном, понятийном или любом другом пространстве, в которой нарушаются законы, обрывается непрерывный ход вещей.

Сингулярность технологическая (по Курцвейлу) — феноменально быстрый научно-технический прогресс (даже значительнее, чем научно-техническая революция), основанный на мощном искусственном интеллекте (существенно превосходящем человеческий) и киборгизации людей.

Синергетика (греч. син — совместное и эргос — действие) — научное направление, изучающее закономерности, которые управляют процессами самоорганизации в биологических, технических, химических и др. системах.

Т

Термодинамика (греч. термо — тепло и динамис — сила) — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделилась химическая термодинамика, которая изучает физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, и теплотехника.

Техника наносистемная — созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Технологии когнитивные — информационные технологии, специально ориентированные на развитие интеллектуальных способностей, воображения и ассоциативного мышления человека (см. Когнитивность).

Технологии конвергентные — четыре взаимосвязанных научно-технических направления: нанотехнологии, биотехнологии, нейротехнологии и информационные технологии.

Технологии критические — дезавуирующие, ликвидационные технологии, которые фактом своего появления закрывают целые направления исследований или делают бессмысленным дальнейшее их развитие. Например, развитие ракетной техники и межконтинентальных ракет закрыло направление стратегических бомбардировщиков, то есть сделало их обычным, а не стратегическим оружием, фактически свернув программу их развертывания.

Технология фуллеренов — научно-практическое направление, занимающееся как методами производства фуллеренов, так и различными прикладными задачами их использования.

TOH (технология общего назначения) — обычно начинается как весьма грубая технология ограниченного применения, затем быстро распространяется в области новых приложений. Типичные примеры — паровая машина, электричество, железные дороги и компьютеры, послужившие базисом для главных научно-технических революций. В наши дни классический пример ТОН — нанотехнология.

Точка квантовая (англ. quantum dot) — фрагмент проводника (полупроводника), ограниченный по всем трем пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости, достаточно малый, чтобы в нем были существенны квантовые эффекты. Квантовые точки могут быть использованы при разработке QD-LED дисплеев и другой электронной техники.

Трибология (греч. трибос — трение и логос — наука) — наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки и самоорганизации в машинах.

Триботехнология — комплекс технических и технологических мероприятий, направленных на практическое использование процесса трения для восстановления и придания поверхностям трения высоких антифрикционных и противоизносных свойств.

Туман конструкторский (англ. utility fog ) — наносистема, состоящая из унифицированных строительных нанороботов (фоглетов) и позволяющая собирать различные предметы из отдельных универсальных строительных блоков микроскопических размеров.

Туннелирование — уникальное свойство квантовых частиц, в том числе и электронов, заключающееся в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера в данной преграде. Электрон, который обладает энергией, встретив на своем пути преграду, требующую для прохождения большей энергии, не отражается от этой преграды, но преодолевает ее с потерей энергии.

Тюнинг автохимический — специальная обработка двигателя препаратами автохимии в целях снижения механических потерь на трение и повышения мощности двигателя.

У

Углеволокно (карбон) (лат. carbo — уголь) — композиционный материал на основе армирующего материала из кевлара и матрицы из специальных эпоксидных смол, обладающий высокими прочностными свойствами при малом весе. Широко применяется в самолетостроении и автомобильной технике, а также в спортивных товарах и товарах для туризма и отдыха.

Ф

ФАБО (финишная антифрикционная безабразивная обработка) — метод фрикционного (с помощью трения) нанесения покрытий из пластичных металлов толщиной от 50 до 500 нм на трущиеся поверхности деталей.

Фемто. (датск. femten — пятнадцать) — приставка к наименованию единицы физической величины; служит для образования наименований дольных единиц, по размеру равных 10–15 доле исходных единиц. Обозначение: русское — ф, международное — f. Пример: 1 фКл (фемтокулон) = 1015 Кл.

Физика фуллеренов — научное направление в физике по исследованию структурных, механических, электрических, магнитных, оптических свойств фуллеренов и их соединений в различных фазовых состояниях, а также изучению характера взаимодействия атомов углерода в этих соединениях, спектроскопии молекул фуллеренов, свойств и структуры систем, состоящих из молекул фуллеренов.

Фоглет (англ. fog — туман) — частица конструкторского тумана (нанобот), наноробот-блок диаметром около 100 мкм.

Фотовольтаика (греч. фотос — свет) — оборудование для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью специальных полупроводниковых элементов — солнечных батарей.

Фотоника — наука и раздел техники, изучающие генерацию, управление и детектирование фотонов достаточно широкого волнового спектра излучения.

Фрактал (лат. fractus — дробный, ломаный, разбитый) — структура, бесконечная самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба. Например, разветвления трубочек трахей, нейроны, сосудистая система человека, извилины берегов морей и озер, контуры деревьев и т. д. Фракталы имеют место как в клеточной мембране, так и в звездных галактиках.

Форсайт (англ. foresight — предвидение) — систематически организованный процесс, направленный на выявление долгосрочных перспектив науки и технологий, экономики и общества. Применяется для определения стратегических направлений развития инноваций, способных принести наибольшие социальноэкономические блага. Одним из методов реализации таких прогнозов являются «дорожные карты».

Фуллерены (англ. fullerene) — класс химических соединений, молекулы которых состоят только из четного количества атомов углерода. Химически стабильные замкнутые поверхностные структуры углерода, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида.

Фуллериты — твердые фуллерены С60, кристаллы с гране-центрированной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными связями. В кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которых могут находиться посторонние атомы, влияющие на свойства всего материала.

Х

Химия фуллеренов — научно-практическое направление химии, занимающееся созданием и изучением класса фуллеренов. По концепциям и методам исследования во многом принципиально отличается от традиционной химии.

Химмотология — наука о рациональном использовании топлива, масел и автохимии в технике.

Хиральность (англ. chirality, греч. хира — рука) — понятие в химии, характеризующее свойство объекта быть несовместимым со своим отражением в идеальном плоском зеркале.

Хомопарк (англ. homopark) — резервация в труднодоступной местности Земли (других планетах) или специально выделенная территория (по аналогии с зоопарком) для обыкновенных людей в эпоху технологической сингулярности.

Ц

Цеолит (греч. цео — киплю и литос — камень, то есть «кипящий камень») — большая группа близких по составу и свойствам минералов (водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов) со стеклянным или перламутровым блеском. Перспективен в качестве нанотехнологических мембранных материалов (адсорбент, ионообменники, молекулярные сита) для газо— и водоочистительных систем и катализаторов (нефтехимия и нефтепереработка).

Ш

Шунгит — минерал, получивший название от поселка Шуньга в Карелии, где были обнаружены природные фуллерены.

Э

Экситон (лат. exciW — возбуждаю) — элементарная квазичастица (связанное состояние «электрон-дырка»), выступающая как целое образование и возникающая в веществе при наличии небольшого количества атомов примеси, обеспечивающих дополнительные уровни энергии в запрещенной зоне, за которые электрон может зацепиться и остаться в запрещенной зоне, взаимодействуя с дыркой посредством электростатических сил. В экситоне может наблюдаться пятое состояние вещества — конденсат Бозе-Эйнштейна.

Элемент Пельтье (англ. Thermoelectric Cooler, TEC) — термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. Обратный механизм называется эффектом Зеебека.

Энзимы (ферменты) (греч. зиме — дрожжи, лат. fermentum) — белковые молекулы или их комплексы (молекулярные машины), ускоряющие химические реакции в живых системах.

Энтропия (греч. энтропия — поворот, превращение) — мера неупорядоченности больших систем. Например, в теории тепловых машин — та часть энергии, которая рассеивается в пространстве, не совершая полезной работы.

Эпитаксия (греч. эпи — на и таксис — упорядоченность) — технология выращивания (нарастания) на поверхности моно-кристаллических тонких пленок в соответствии с кристаллической структурой подложки (каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий).

Эффект безызносности (избирательный перенос при трении) — возникает в результате протекания химических и физических процессов на поверхности контактирующих тел, приводящих к образованию на них самоорганизующихся систем толщиной около 100 нм, которые обеспечивают автокомпенсацию износа и снижение коэффициента трения.

Эффект Холла — явление, заключающееся в том, что в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, вектор напряженности которого перпендикулярен направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля.

В начале пути

Там… внизу… еще очень много места…

Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике (1959 год)

Во времена Аристотеля считалось, что мир состоит из четырех элементов (стихий) — воды, земли, огня и воздуха. Этого положения было достаточно, чтобы с той или иной степенью точности объяснить окружающий мир и обеспечить существование человечества всем необходимым на тот период времени.

Ориентировочно в 400 году до н. э. греческий философ Демокрит предположил, что все вещества состоят из особых конечных частиц, которые он назвал атомами. Это было гениальным предположением, опередившим науку на два тысячелетия. Даже после опубликования в 1661 году английским химиком Робертом Бойлем (Robert Boyle) книги, открыто отвергающей учение Аристотеля (философскую основу основ тогдашней науки — алхимии, химии и физики), потребовалось еще несколько веков, чтобы подтвердить догадку древнегреческого философа. Бойль в своей книге утверждал, что все состоит из «корпускул» (лат. corpusculum — частица) — мельчайших частиц материи или эфира, образующих в разных комбинациях окружающие нас вещества, но, естественно, доказать данный факт на тот период было невозможно.

Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) в 1897 году, экспериментируя с электродами, помещенными в трубку с откачанным воздухом, открыл отрицательно заряженные частицы — электроны, имеющие массу 9,1 х 10–31 кг и заряд 1,6 х 10–19 Кл.

В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике «В знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

Через год, в 1907 году, английский ученый Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), получивший Нобелевскую премию по химии за 1908 год, открыл атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Вместе они называются адронами (термин предложен советским физиком, академиком Львом Борисовичем Окунем).

Но, как оказалось, нейтроны и протоны тоже не являются конечными частицами. В стандартной модели элементарных частиц протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Гипотеза об их существовании была впервые выдвинута в 1964 году американским физиком Мюрреем Гелл-Манном (Murray Gell-Mann). Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике за 1969 год «За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий». Независимо от него гипотезу о четырех различных «тузах» (от тузов четырех мастей в карточных играх), которыми Гелл-Манн называл кварки, поскольку считал, что их всего четыре, также высказал американский физик Джордж Цвейг (George Zweig). Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи.

Однако это уже пико-, фемто— или даже аттоуровень размеров (табл. 1), относящихся к атомной и даже ядерной физике, а данная книга посвящена нанонауке — отрасли знаний, основанной на изучении объектов и технологий, включающих в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получивших принципиально новые качества, которая также относительно молода.

Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна (Albert Einstein), который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10-9 м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла (Nikola Tesla). Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Таблица 1. Приставки и множители десятичных кратных и дольных единиц международной системы СИ

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, — это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.

Еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений Эрвина Шредингера (Ervin Schrodinger), описывающие возможность частицы преодолеть потенциальный барьер, когда ее энергия меньше его высоты. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от этой преграды, а с потерей энергии (как волна) преодолеет ее.

Данное явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники.

Следует остановиться на биографии Г. А. Гамова подробнее. Этот ученый много сделал для мировой науки, но так и не был оценен ею в полной мере, чему есть объективные и субъективные причины. В марте 1932 года в возрасте 28 лет Гамов был избран самым молодым членом-корреспондентом отечественной Академии наук за всю историю ее существования. Гамов всячески стремился уехать на Запад. В 1933 году по рекомендации академика Абрама Федоровича Иоффе Гамова на 20 дней направили в заграничную командировку в Бельгию для участия в работе Сольвеевского конгресса и ознакомления с зарубежными физическими лабораториями. Несмотря на клятвенные обещания, из зарубежной командировки в СССР Гамов не вернулся, запросил работу на Западе и был исключен из Академии наук.

Гамова называют трижды нелауреатом Нобелевской премии, так как он участвовал в исследованиях по трем направлениям, авторы которых впоследствии были удостоены этого звания. Гамов является создателем квантовой теории а и р-распада радиоактивных ядер, автором гипотез «горячей Вселенной» (теории Большого взрыва) и генетического кода.

На основе установленной им связи между ядерными процессами и космологией Гамов первым предложил модели звезд с термоядерным источником энергии. В 1942 году совместно с Теллером он разработал теорию строения красных гигантов. В 1946–1948 годах ученый предложил теорию получения химических элементов методом последовательного нейтронного захвата и модель «горячей Вселенной» (теорию Большого взрыва), в рамках которой предсказал реликтовое излучение и рассчитал его температуру. Американские астрофизики Арно Аллан Пензиас (Arno Allan Penzias) и Роберт Вудроу Вильсон (Robert Woodrow Wilson), подтвердившие теорию Гамова, в 1978 году стали нобелевскими лауреатами «за открытие микроволнового реликтового излучения».

Георгий Антонович Гамов. Фото с сайта http://www.peoples.ru

В 1954 году Гамов опубликовал статью, где впервые поднял проблему генетического кода, отмечая, что «…при сочетании четырех нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации», чего вполне достаточно для «записи наследственной информации». Он указывал, что «. кто-нибудь из более молодых ученых доживет до его расшифровки».

Американские ученые-биохимики Роберт Холли (Robert W. Holley), Хар Гобинд Корана (Har Gobind Khorana) и Маршалл Уоррен Ниренберг (Marshall Warren Nirenberg) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1968 года за расшифровку генетического кода, но Гамов, как видим, в число соискателей снова включен не был.

Несмотря на свое сомнительное для американской администрации происхождение, Георгий Гамов привлекался к работе над созданием водородной бомбы и в 1949 году даже побывал на атомном полигоне США, на атолле Бикини.

В 1956 году Г А. Гамов получил премию Калинга за популяризацию науки, а в 1990 году был посмертно восстановлен в звании члена-корреспондента АН СССР.

В 1931 году немецкие физики Эрнст Август Руска (Ernst August Ruska) и Макс Кнолл (Max Knoll) создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. За это открытие в 1986 году Руска получил Нобелевскую премию. В 1939 году компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике (Frits Zernike) открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия 1953 года). Это был вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа мельчайших деталей изображения. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то время не осознали его перспективности.

На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году. Сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О’Кифи (John Aloysius O’Keefe) предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать очень близко расположенный объект. Свет, прошедший через образец или отраженный от него в отверстие, регистрировался в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Дж. О’Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники в середине 50-х годов ХХ века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки (Leo Esaki, Нобелевская премия 1973 года с Айваром Джайевером — Ivar Giaever).

Однако мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их на нанометрическом уровне, «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции 29 декабря 1959 года «Там внизу много места» (There is plenty of space on the bottom) одного из крупнейших физиков ХХ века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана (Richard Phillips Feynman). Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов.», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, в лучшем случае, узлов и деталей машин.

Основоположник нанотехнологии, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.

В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур (Gordon Earle Moore), почетный президент и один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, ученый обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18–24 месяца). При этом их емкость каждый раз возрастала примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг (Russell Young), работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство (пьезодвигатель), применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов (поиска нужных объектов на изучаемой поверхности).

В то же время Дэвид Джонс (David Jones) конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нано-графитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник. Физхимик-органик Эйдзи Осава (Eiji Osawa) предположил существование полой высокосимметричной молекулы С60 со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.

В 1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо (Alfred Cho) и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур (John Arthur) обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач по обработке поверхностей и достижению атомной точности при создании электронных приборов.

В 1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако вскоре работы над прибором были прекращены по экономическим причинам. Через год, в 1972 году, Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 А (1 нм = 10 А), применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 8о-е годы ХХ века в результате исследований Эрика Дрекслера (Kim Eric Drexler), работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).

Эрик Дрекслер, основоположник молекулярной нанотехнологии

Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые сбываются с 1989 года, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Однако, как часто бывает, задолго до работ Дрекслера идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман (John Von Neumann), разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) — первое устройство с клавишным вводом данных.

Роберт Фрейтас (Robert A. Freitas) отмечал: «Ранняя история самовоспроизводящихся систем — это история мышления фон Неймана по данному вопросу». Самовоспроизводящиеся машины (автоматические репликаторы) — ключевое свойство нанороботов, так как эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие, более совершенные создания.

В дальнейшем прогноз развития нанотехнологий рассматривался через представления, сформировавшиеся в более поздних работах Э. Дрекслера и его последователей: Р. Фрейтаса, Ральфа Меркле (Ralph C. Merkle) и др.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигучи (Norio Taniguchi) из Токийского университета. Нанотехнология, по Н. Танигучи, — это «технология объектов, размеры которых составляют порядка 10-9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой».

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так в 1975 году немецкие ученые-ботаники из Боннского университета (ФРГ) Вильгельм Бартлотт (Wilhelm Barthlott) и Кристоф Найнуйс (Christoph Neinhuis) обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений (Lotus-effect®), а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкий физик Герд Карл Бинниг (Gerd Karl Binnig) и швейцарский ученый Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали растровый туннельный микроскоп (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия 1986 года вместе с Э. Руской). Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова они смогли измерить неровности высотой в один атом. С помощью туннельного микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, собирая из них любое вещество.

Главной проблемой в исследованиях на сканирующем туннельном микроскопе стали фоновые помехи: острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций даже вне лаборатории. Кроме того, прибор позволял исследовать нанообъекты только на электропроводной подложке.

Современные сканирующие микроскопы позволяют различать размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома — атома водорода) по вертикали и около 0,2 нм по горизонтали. По сути, это уже не микроскопы, а наноскопы.

В 1980–1981 годах с разработкой метода получения кластеров при испарении с помощью лазера в сверхзвуковых соплах стало возможным экспериментальное получение кластеров с количеством атомов от 40 до 100. Этот метод был специально разработан для детального изучения многоатомных молекул (в первую очередь металлов переходных структур).

При помощи данного способа в 1984 году немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры, а профессор Герберт Гляйтер (Herbert Gleiter), изучавший структуры различных конструкционных материалов с 1982 по 1985 год, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

В 1985 году коллектив ученых в составе английского химика Гарольда Крото (Harold Walter Kroto) из Сассекского университета, американских химиков Роберта Флойда Керла (Robert Floyd Curl), Джеймса Хита (James Heath) и Шона О’Брайена (Sean O’Brien) под руководством Ричарда Смолли (Richard Errett Smalley) в университете Райса (США) получил новый класс соединений — фуллерены — и исследовал их свойства (Нобелевская премия за 1996 год). Инициатором поиска был Г. Крото, изучавший лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.

Открыватель фуллеренов, лауреат Нобелевской премии Ричард Смолли

В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С60. Грани 60-атомного фуллерена — это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

То, что более десяти лет назад теоретически предсказывали японец Э. Осава и советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн, нашло практическое подтверждение.

В том же 1985 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klietzing) получил Нобелевскую премию за открытие квантового эффекта Холла в 1980 году. Он установил, что в сильных магнитных полях плоского проводника (то есть квазидвухмерного электронного газа) начинают сказываться квантовые эффекты. Это приводит к квантовому эффекту, названному в честь американского физика Эдвина Холла (Edwin Herbert Hall). В 1879 году Э. Холл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму открыл в тонких пластинках золота эффект возникновения поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.

В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомносиловой микроскоп (АСМ), позволивший «рассматривать» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами.

К концу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих туннельных микроскопов.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги Э. Дрекслера Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины творения: наступающая эра нанотехнологий») и последующей дискуссии. Несколько ранее им был опубликован ряд статей по этой проблеме, но они не привлекли внимания научной общественности. Оказалось, однако, что этот термин ранее уже был предложен Н. Танигучи, который под нанотехнологиями понимал любые субмикронные технологии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».

В настоящее время понятие «нанотехнология» включает в себя не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов (направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных явлений и факторов), но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

В это же время специалист по компьютерам Уоррен Робинет (Warren Robinet) и химик Стэн Уильямс (Stan Williams) из Университета штата Северная Каролина изготовили наноманипулятор — робот размером с человека, соединенный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.

Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Дональд Эйглер (Donald Eigler) и Эрхард Швейцер (Erhard Schweizer) из Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов инертного газа ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы (рис. 1). Для получения надписи был использован сканирующий туннельный микроскоп. Сделанная надпись просуществовала недолго — атомы быстро «испарились» с поверхности, однако сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоего вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в определенной позиции как логическое состояние.

Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.

В продолжение этой темы следует отметить, что в 2008 году ученые из Израильского технологического института (Технион) в честь 6о-летия образования своего государства создали уже целую нанокнигу — Библию. Содержание всего Ветхого Завета было нанесено на кремниевую частицу, размеры которой не превышают 0,5 мм2 (размер булавочной головки).

Рис. 1. Надпись на монокристалле никеля из атомов ксенона (рисунок с сайта mrsec.wisc.edu/./images/ibm.jpg)

Текст был набран с помощью фокусированного ионного пучка, который вытравливал (с помощью ионов галлия) узор на золотой подложке (толщиной 200 нм), покрывавшей основание из кремния. Само нанесение текста заняло не более полутора часов, но программное обеспечение для управлявшего этим процессом компьютера разрабатывалось более трех месяцев.

Ознакомиться с содержанием этой Библии можно только с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Первый способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллерена (фуллерита) был предложен в 1990 году Вольфгангом Кречмером (Wolfgang Kratschmer) и Дональдом Хаффманом (Donald Huffman) с коллегами в Институте ядерной физики Гейдельберга (Германия).

Углеродные нанотрубки впервые в 1991 году обнаружил японский исследователь Сумио Ииджима (Sumio Iijima) из Лаборатории фундаментальных исследований компании NEC . В поисках фуллеренов он изучал на полярном ионном микроскопе осадок (сажу), который образуется на катоде, когда при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия распыляется графит. Ученого заинтересовал неприглядный серый «обрубок» диаметром 0,8 нм, вырастающий на катоде. Он оказался странным графитовым наноцилиндриком с угольно-черной сердцевиной (подобной карандашу), или как бы закрытым мини-туннелем, построенным из особых видов сажи. Электронная микроскопия осадка показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков нанометров. Их цилиндрические стенки представляли собой сверхустойчивую структуру из шестигранных колец углерода, закрытых по краям полусферическими крышечками из семи— или восьмигранников. Так были открыты нанотрубки и наноконусы.

Открыватель углеродных нанотрубок Сумио Ииджима

На электронных микрофотографиях (рис. 2), полученных с трансмиссионного электронного микроскопа с высоким разрешением, были обнаружены цилиндрические молекулы с пятью (а), двумя (b) и семью (c) концентрическими стенками.

Первые синтезированные нанотрубки были многослойными, и сразу возникла задача синтеза однослойных углеродных нанотрубок. В результате исследований С. Ииджимой было установлено, что добавление небольшого количества порошка катализатора (кобальта, никеля или железа) в графитовые электроды обеспечивает образование однослойных нанотрубок. Металлическая добавка является катализатором, предотвращающим образование фуллеренов и многослойных нанотрубок. При этом наличие катализатора также обеспечивает снижение температуры синтеза, в результате температура вольтовой дуги не превышает температуры, при которой спекаются нанотрубки.

Рис. 2. Первые электронно-микроскопические изображения многослойных коаксиальных углеродных нанотрубок с различным числом концентрических стенок: а — пять; b — две; с — семь

В 1992 году в природном углеродном минерале шунгите были обнаружены природные фуллерены. В дальнейшем различные наночастицы и наноструктуры находили в таких природных материалах, как лед и метеориты, и даже на поверхностях обшивки орбитальных станций. Многослойные фуллерены могут присутствовать и во многих технологических углеродных материалах, например саже.

В 1993 году С. Ииджима и Тошинари Ичихаши (Toshinari Ichihashi) в Японии, а также Дональд Бетьюн (Donald Stimson Bethune) с коллегами в Альмаденском научно-исследовательском центре компании IBM (IBM Almaden Research Centre, Калифорния) практически одновременно открыли одностенные (однослойные) углеродные нанотрубки.

К важнейшим научно-практическим достижениям в следующие десять лет (1998–2008 годы) относят открытия и события, перечисленные ниже.

В 1998 году Роберт Лафлин (Robert Betts Laughlin), Хорст Штермер (Horst Ludwig Stormer) и Дэниел Цуи (Daniel Chee Tsui) были удостоены Нобелевской премии за открытие дробного эффекта Холла, при котором в очень сильных магнитных полях наблюдается кардинальная перестройка внутренней структуры двухмерной электронной жидкости.

Профессор Высшей технической школы в г. Делфте (Нидерланды) Сиз Деккер (Siz Dekker) создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Ему пришлось впервые измерить электрическую проводимость такой молекулы.

В этом же году появились первые технологии создания нанотрубок длиной до 300 нм.

Еще через год (в 1999 году) американские ученые — физик Марк Рид (Mark Reed, Йельский университет) и химик Джеймс Тур (James Tour, Университет Райс) — разработали единые принципы манипуляции одной молекулой и целой цепочкой.

В 2000 году немецкий физик Франц Гиссибл (Franz Giessibl) разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле (Robert Magerle) предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировал немецкий автоконцерн Volkswagen.

В 2001 году Нобелевской премии по физике были удостоены американцы Эрик Корнелл (Eric Allin Cornell), Карл Виман (Carl Wieman) и немец Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) за получение конденсата Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов и за исследование свойств этого конденсата.

Фактически можно с определенной степенью допущения говорить о получении и исследовании (дополнительно к твердому телу, жидкости, газу и плазме) пятого агрегатного состояния вещества.

Новое состояние вещества назвали в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (Satyendra Nath Bose) и А. Эйнштейна, которые еще в 1924 году теоретически предсказали такую возможность при охлаждении атомов до температур, очень близких к абсолютному нулю (о К, или -273,15 °C).

Особенность нового агрегатного состояния состоит в том, что все атомы вещества находятся в одном и том же энергетическом состоянии (имеют одинаковые квантовые характеристики), поэтому объем вещества можно считать одним «сверхатомом» с потенциально уникальными свойствами, способными внести значительный вклад в развитие нанотехнологий.

Уже появляются сообщения о получении еще одного (шестого) состояния вещества — фермионного конденсата (fermionic condensate).

В ноябре 2003 года группа физиков под руководством Деборы Джин (Deborah S. Jin) из объединенной лаборатории JILA Национального института стандартов и технологии Министерства торговли США (Department of Commerce’s National Institute of Standards and Technology, NIST) и Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder, CU-Boulder) (совместно с группой исследователей из Австрии под руководством Рудольфа Гримма (Rudolf Grimm) из Университета Инсбрука) для получения фермионов охладила газ из 500 тысяч атомов калия-40 до температуры, отличающейся от абсолютному нуля всего на 300 нанокельвинов (0,0000003 К).

Воздействуя на фермионный конденсат резонансным магнитным полем, удалось изменить природу взаимодействий между атомами — вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. Это позволило ученым перевести атомы в предшествующее состояние — конденсат Бозе-Эйнштейна (бозонные молекулы).

По мнению ученых, практическое применение фермионов в чистом виде, конечно, невозможно, но их изучение может пролить свет на механизмы явлений сверхпроводимости и сверхтекучести. В перспективе, базируясь на полученных результатах исследований, теоретически возможна разработка сверхпровод-никовых материалов, работающих при нормальных температурах.

При этом следует отметить, что почти ежегодно появляются сообщения об открытии новых форм материи. Это и уже упомянутые конденсаты, и кварк-глюонновая плазма, и материя нейтронных звезд, а также «супертвердое тело».

Впрочем, пока речь идет о чисто фундаментальных исследованиях (в большинстве своем чисто теоретического плана) возможного взаимного превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое и наоборот, а не реально полученного количества коммерчески доступного вещества.

В 2003 году профессор Фенг Лю (Feng Lu) из университета штата Юта (США), взяв за основу наработки Ф. Гиссибла и используя атомный микроскоп, построил образы орбит электронов, анализируя их возмущение при движении вокруг ядра.

В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

В 2007 году нобелевским лауреатом стал немецкий ученый Герхард Эртль (Gerhard Ertl), который удостоился премии за исследования химических процессов, происходящих на твердых поверхностях. На основе работы Эртля созданы технологии, применяемые в двигателях внутреннего сгорания, для производства полупроводников компьютерной техники и т. п., которые можно отнести к наноинженерии поверхности.

Нобелевской премии 2008 года по химии удостоились американцы Осаму Симомура (Osamu Shimomura), Мартин Чалфи (Martin Chalfie) и Роджер Цянь (Roger Tsien) за создание и разработку различных форм зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP).

Это явление впервые было обнаружено у медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. Полученные результаты исследований могут быть применены в нанотехнологических разработках по созданию нового типа мониторов, телевизоров различных дисплеев и т. п., совершенно безвредных для окружающей среды и потребляющих ничтожно малое количество энергии.

На соискание Нобелевской премии по физике 2008 года выдвигался японский исследователь углеродных нанотрубок С. Ииджима, но Нобелевский комитет пока в полной мере не оценил важность его научных достижений. Возможно, награда еще ждет своего героя, как и других исследователей в области нанотехнологий и наноматериалов.

Нобелевская премия по физике 2009 года разделена на две части. Половину премии получил китаец Чарльз Као (Charles Kao), сотрудник британской исследовательской лаборатории города Харлоу (Standard Telecommunication Laboratories) и одновременно проректор университета Гонконга, «За выдающиеся достижения, касающиеся распространения света в волокнах оптических линий связи». Вторую половину разделили сотрудники американской лаборатории Белла (AT&T Bell Labs) Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) «За изобретение светочувствительных полупроводниковых схем — ПЗС-матриц», которые в настоящее время уже широко применяются в большинстве цифровых видеокамер, сканеров, любительских фотоаппаратах и подобных приборах.

Именно У. Бойл и Д. Смит в 1969 году впервые изобрели ПЗС-матрицу (аббревиатура от словосочетания «прибор с зарядовой связью»), или CCD-матрицу (от англ. charge-coupled device, CCD), — специализированную аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных кремниевых фотодиодов.

Ученые занимались разработкой технологий видеотелефонии (picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Японская корпорация Sony одной из первых смогла наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

В настоящее время ПЗС-матрицы выпускают и широко применяют в своей продукции многие известные мировые компании: Canon, Kodak, Matsushita, Nikon, Sony, Fuji, Philips и др.

На основании этого следует заметить, что в ближайшие годы все Нобелевские премии по физике, а также частично по химии и биологии будут присуждаться за исследования и прикладные разработки, так или иначе связанные с нанотехнологическим направлением в науке и технике. Более того, еще раз необходимо подчеркнуть, что предпочтение будет отдаваться исследованиям, которые не просто находятся на стадии лабораторного образца, но уже нашли практическое применение и успешно продаются и применяются в повседневной практике.

Индустриализация нанотехнологий

Рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять триллионы долларов в мировом масштабе.

Дэвид Берубе, профессор Университета Южной Каролины (2008 год)

Развитые страны мира при поддержке правительств и глав государств очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий, оценив перспективы, которые это может принести в будущем.

Первыми в гонку нанотехнологий включились США, которые в 1991 году начали разработку первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Практически одновременно по поручению правительства аналогичную программу начали разрабатывать в Японии. Была намечена серия проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

В Японии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов.

Э. Дрекслер в своей известной книге «Наносистемы» (“Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation’"), вышедшей в свет в 1992 году, на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий по существу в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц: нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т. д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным остается создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы Nanotechnology и Nanobiology , в которых публикуется множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам и их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создаются лаборатории и отделы наноструктур, возглавляемые известными учеными.

На пятой Форсайтовской конференции Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологии» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством — в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологии — квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также проекты, направленные на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них — Atom Craft Project и Aono Project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.

Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правительством США. Так, еще администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа исследований нанотехнологий — «Национальная нанотехнологическая инициатива» (National Nanotechnology Initiative, NNI) — в целях поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности.

Как считают авторы французской книги «Nanosciences: La revolution invisible»[1] профессор Кристиан Жоаким (^ris^n Joachim) и журналистка Лоранс Плевер (Laurence Plevert), именно с NNI закончилось время фундаментально-научного, ресурсосберегающего и экологического аспектов нанотехнологий, началась эра их перевода на практические рельсы и создания наноиндустрии.

Следует отметить, что К. Жоаким является руководителем лаборатории по исследованиям Центра структурных исследований и разработки новых материалов (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) в Тулузе (Франция). Он известнейший специалист в области физики твердого тела и руководитель национальной группы Nanosciences.

В связи с прикладными задачами нанотехнологий надобность в романтике-гуру Эрике Дрекслере отпала. На должность руководителя программы NNI (председателя подкомитета по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологии Национального научного фонда США — National Science Foundation, NSF ) был назначен профессор-прагматик Майкл Рокка (Michael Rocca), обладающий значительными коммерческими связями в промышленных кругах Америки.

В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций — участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нанотехнологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долларов) на 42 млн долларов. С 2001 года США инвестировали в данный проект более 8 млрд долларов, что составляет около 25 % всех мировых затрат на нанотехнологии.

В настоящее время в NNI вовлечено более пятисот университетов, частных институтов и правительственных лабораторий, а также около 2000 нанотехнологических компаний США, где разрабатываются более 5000 научно-исследовательских проектов.

С 3 декабря 2003 года в США реализуется закон 21st Century Nanotechnology Research and Development Act («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»), направленный на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки исследований в данной сфере.

В соответствии с этим документом пять государственных организаций — Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство (NASA) и Управление по охране окружающей среды — получили от государства финансирование в размере 3,7 млрд долларов сроком на четыре года для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Национальным институтом здравоохранения.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (в частности, по программе НАТО по нанотехнологии). Правительства и частный сектор все больше принимают нанонауку как источник новых технологий и процветания. Поэтому сфера наноматериалов получает огромные фонды от частных предприятий и правительств.

Для координации процесса становления и развития нанотехнологий в 2002 году в Европе была создана некоммерческая организация «Европейская ассоциация нанобизнеса» (ENA), основная цель которой — содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на использовании нанотехнологий. Главная миссия ENA заключается в обеспечении профессионального развития зарождающегося нанобизнеса в ЕС. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов.

На первом учредительном совещании, организованном Институтом нанотехнологии (Institute of Nanotechnology) в мае 2006 года, впервые были рассмотрены многие вопросы, касающиеся производства и использования наночастиц в экономике государств Европы. Потребность предприятий в новых нанотехнологиях стремительно растет, но как для производителей, так и потребителей разработок остается множество нерешенных вопросов.

В последнее время значительные усилия предпринимаются руководством Китая. Так, например, о развитии в стране соответствующего сектора в целом в той или иной степени можно судить по количеству научных публикаций. До 2001 года Китай уступал по количеству публикаций и США, и Японии, и Германии, но в 2002 году он обошел Германию, а в 2003 году уже и Японию. Общее количество публикаций по нанотехнологической проблематике в Китае составило более 10 000 статей в 2007 году.

Лидером же по числу публикаций в 2007 году оставались США (около 15 000 статей), опережая всю Европу, где выходило чуть менее 12 000 публикаций.

Самыми цитируемыми изданиями (по данным Thomson ISI за 2001 год), публикующими научные статьи в области нанотехнологий, являются мультидисциплинарные журналы Science в США и Nature в Европе.

По официальной статистике, общее количество патентов в области нанотехнологий (более 3000), выданных американским компаниям, университетам и частным лицам, составляет около 40 % от всего количества патентов во всем мире.

Конечно, по словам сотрудника отдела нано— и конвергентных наук и технологий, генерального директората по научным исследованиям Европейской комиссии Ангелы Хульманн (Angela Hullmann), «в сфере нанотехнологий общеизвестно, что значительное число изобретателей, указавших адрес проживания в Азии, работали на американские компании, подавшие патентные заявки. Но огромное количество подобных несоответствий не может быть объяснено только мобильностью ученых. Следует также признать, что научно-исследовательские центры в Азии, принадлежащие американским компаниям, не подают заявки самостоятельно, а предоставляют это американским штаб-квартирам»[2].

Рассматривая рынок наноматериалов и нанотехнологий, следует отметить разнонаправленность прогнозов и позиций различных экспертных организаций и государственных структур.

По данным консалтинговой компании Lux Research, в 2003 году общемировые суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологии достигли 6 млрд долларов, из них 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов (данные Nanobusiness Alliance и Business Communications Co.). Большая часть из них (около 10 %) в настоящее время приходится на сферу энергетики и нефтепереработки.

В целом, если к началу 2001 года рынок наноматериалов составлял 555 млн долларов, то в 2005 году он превысил 900 млн долларов и в настоящее время продолжает стремительно расти (табл. 2).

Таблица 2. Прогноз рынка нанотехнологий (разные источники)

Как видите, прогнозы значительно отличаются: от роста до 1 трлн долларов США до заметного сокращения рынка нанотехнологий в мировом масштабе. Это связано не только с мировым экономическим кризисом, но и с позицией Европарламента по вопросу применения нанотехнологической продукции в косметической отрасли и медицине, где как раз наблюдаются наиболее высокие объемы производства и продаж (да и не только в этих областях).

Уже сейчас нанотехнологии используются в процессе изготовления (производства) более 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов конструкционных и сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. Практически все крупные высокотехнологичные корпорации, например IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi USA, Corning, DOW, Intel, химическая компания BASF, биотехнологическая Abraxis BioScience и др., активно инвестируют средства в развитие исследований по разработке и выпуску нанотехнологического оборудования и материалов. Ведь применение нанотехнологий способно изменить свойства традиционных изделий, а значит, сделать товар более конкурентоспособным.

Крупнейшими потребителями нанотехнологических товаров являются следующие отрасли (в процентах от общего объема рынка): предприятия, работающие в сфере охраны окружающей среды — 56 %, электроника — 20,8 %, энергетика — 14,1 %.

Сегодня, по оценкам экспертов, на полученную с использованием нанотехнологий продукцию приходится около 0,01 % мирового валового внутреннего продукта (ВВП), а в 2010 году этот показатель может составить уже 0,5 %.

В то же время, по словам Ричарда Аппельбаума (Richard Appelbaum) из Центра нанотехнологий при Университете Калифорнии (Center for Nanotechnology in Society, CNS), оборот рынка нанопродукции в 2014 году может достигнуть 14 трлн долларов, что равноценно 15 % общего выпуска товаров в мире.

Аналогичный прогноз высказывает автор известной книги ««Nano-Hype: The Truth behind the Nanotechnology Buzz», профессор Университета Южной Каролины Дэвид Берубе (David M. Berube) в интервью «Национальная корпорация — разумный подход к инвестициям»[3]. По его мнению, рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять «…триллионы долларов в мировом масштабе».

Как отметил Президент России Д. А. Медведев на открытии Второго Международного форума и выставки по нанотехнологиям Rusnanotech-09, по прогнозам экспертов, буквально через пять лет (к 2015 году) рынок нанотехнологической продукции вырастет до 2–3 трлн долларов, что сделает его сопоставимым с мировым рынком энергоносителей.

Следует отметить, что, несмотря на мировой экономический кризис, рынок нанотехнологической продукции, по сравнению с другими отраслями, пострадал в значительно меньшей степени и продолжает стремительно развиваться.

В ближайшем будущем, по оценкам Research Techart, наибольшим спросом будут пользоваться не только простейшие наноматериалы (фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки, нанопористые материалы, наночастицы, наноструктурированные металлы), но и такие новые формы наноматериалов, как вискеры, дендримеры и квантовые точки.

Значительный скачок ожидается в разработке, изготовлении и продажах исследовательского и специального нанотехнологического оборудования, наноэлектромеханических систем для продукции наноэлектроники, а также бионанотехнологий для медицинской и косметической промышленности и производства пищевых продуктов.

Становление и развитие нанонауки в России

Сегодня создание и применение нанотехнологий и наноматериалов во многом определяет темпы научнотехнического прогресса, а значит, и перспективы социально-экономического развития России.

Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации

На заседании Международной комиссии мер и весов 7 октября 1958 года было принято предложение известного отечественного метролога Григория Дмитриевича Бурдуна, который еще в 1956 году назвал миллиардную долю метра «нанометром». На этом же заседании было установлено, что в слове «нано» следует писать одну букву «н», как в греческом слове нанос — карлик, а не как в образовавшемся от него латинском слове nannus (океанология).

В 1960 году решением Генеральной конференции по мерам и весам была принята универсальная система единиц физических величин, получившая название Systeme internationale d’unites (Международная система единиц), или SI (СИ), которая и узаконила данные предложения.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский, занимаясь исследованиями аварий авиационной техники, в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия в 1969 году эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др.

Ученые установили, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторыми другими химическими элементами) коэффициент трения уменьшился на два порядка до значения ниже 0,001 (предела чувствительности измерительной установки) — можно считать, исчез совсем. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снизилась.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние.

Позднее в своей книге «Трение и мы» (1987) А. А. Силин пишет: «Экспериментально подтверждалось, что фундаментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10-7 см (1,0 нм. — Прим. автора), то есть порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения. Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации».

В 1973 году советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн более чем за десять лет до официального открытия команды Р. Смолли сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность.

Теоретическая возможность образования цилиндрических нанотрубок была предсказана в 1977 году советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании высказал Леонид Александрович Чернозатонский, что также значительно раньше их официального открытия.

Более того, в научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в начале 50-х годов прошлого столетия, но детально они изучены не были. Так, в 1952 году в «Журнале физической химии» была опубликована статья сотрудников Института физической химии РАН Леонида Викторовича Радушкевича и Всеволода Михайловича Лукьяновича «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте»[4], в которой описаны нитевидные углеродные образования диаметром 50 нм, обнаруженные с использованием электронного микроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Углеродные трубчатые наноструктуры (увеличение в 20 000), полученные Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукьяновичем

Анализируя полученные результаты, авторы работы сделали следующие выводы: «При исследовании структуры сажи, полученной из окиси углерода на железных контактах, было обнаружено, что сажа состоит из частиц сложного строения. Большинство частиц имеет вытянутую червеобразную форму с характерными окончаниями, свидетельствующими о направленности роста. Частицы, выращенные в некоторых случаях на отдельных крупинках железа в атмосфере окиси углерода, имеют правильную нитевидную форму с плотными окончаниями. В первой стадии в результате химической реакции взаимодействия СО с железом образуются нитевидные зародыши. Во второй стадии за счет образования на ней кристаллов графита протекает поперечный рост частиц. Окончательно выросшие частицы представляют собой продукт роста и деформации первичных частиц. Обнаружены необычные формы сдвоенных частиц, переплетенных между собой. Образование этих агрегатов протекает по особому механизму, детали которого ждут своего объяснения».

В это же время руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходеев впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Первая отечественная нанотехнологическая установка в СССР, созданная под руководством Петра Николаевича Лускиновича, осуществляла направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. Она заработала в 1987–1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта».

Рассматривая наиболее весомые достижения российских ученых в области практической нанотехнологии, следует отметить награждение в 2000 году Нобелевской премией в области физики Жореса Ивановича Алферова и его американских коллег Герберта Кремера (Herbert Kromer) и Джека Килби (Jack St. Clair Kilby) за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Известная в настоящее время светодиодная техника как раз и базируется на так называемых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким направлениям. Наиболее крупные из них — «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро— и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверх-микрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК— и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.

Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук — Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал академик РАН Евгений Павлович Велихов, а его заместителем — академик РАН Ж. И. Алферов.

В 2008 году создана общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР). Президентом НОР на 2008–2009 годы избран академик РАН Юрий Дмитриевич Третьяков (МГУ).

Главная цель НОР — развитие творческой активности своих членов, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставит своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.

В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией NT-MDT (Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физикотехнического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT-MDT Co. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 4).

24 апреля 2007 года Правительством Российской Федерации утверждена «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года». Ее цель — создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети (ННС) для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

В настоящее время также реализуется Федеральная адресная инвестиционная программа, программы РАН и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и ряд федеральных целевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации, предусматривающих развитие различных специализированных направлений наноиндустрии.

Рис. 4. Анодно-окислительная литография портрета Ж. И. Алферова с использованием АСМ (2,0x30 нм)

Основные направления работ в области нанотехнологий — это федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 годы», «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы», «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

Федеральное государственное учреждение Российский научный центр (РНЦ) «Курчатовский институт» назначен головной организацией по нескольким основным направлениям: «Нанобиотехнологии», «Наноэнергетика» и «Нанотехнологии ТЭК». Он также является профильной организацией по направлениям «Наноэлектроника», «Наноинженерия», «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», «Функциональные наноматериалы для энергетики», «Функциональные наноматериалы для космической техники», «Конструкционные наноматериалы», «Композитные наноматериалы», «Нанотехнологии для систем безопасности».

В настоящее время в мире в общей сложности выдано более 10 000 патентов на изобретения в области нанотехнологий. Более 2030 патентов зарегистрировано в России, но из них отечественными патентообладателями являются не более 30 человек.

Конечно, следует отметить, что огромное количество отечественных патентов и заявок на изобретения просто проходят по другим классам и поэтому не отнесены к нанотехнологиям. Не случайно Европейское патентное ведомство (European Patent Office, EPO) выступило с инициативой идентификации патентов по нанотехнологиям и присвоению им специального кода.

Можно сослаться на исследования японских ученых[5], которые указывают, что «…отмечается активизация усилий стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай)» по темпам роста числа патентных заявок в сфере нанотехнологий.

В России накоплена обширная научная (теоретическая) база по нанотехнологиям. В мировом списке наиболее цитируемых работ в области нанотехнологий находятся труды более 50 российских ученых из 23 организаций. Из них чаще всего упоминаются именно научные коллективы нобелевского лауреата академика Ж. И. Алферова (ФТИ им. Иоффе и НОЦ РАН) и профессора Р. З. Валиева (Уфимский авиационный институт). По данным Lux Research, в 2005 году на Россию приходилось около 5 % всего объема публикаций по нанопроблематике, и наши авторы занимали девятую позицию, вслед за США, Японией, Китаем, Германией, Южной Кореей, Францией, Великобританией и Италией.

Однако отечественные ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов не могут развивать свои исследования и внедрять их в производство.

Не мудрено, что многие из них для продолжения исследований и внедрения научных разработок уезжают в страны, где материальные возможности для их реализации значительно выше.

Аналогичная ситуация складывается и с сотрудниками Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), где на каждом шагу слышна русская речь.

Для реализации государственной политики и развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов по созданию перспективных нанотехнологий и наноиндустрии была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех», с 20 августа 2008 года — «РОСНАНО »). В ее уставной капитал государством направлены огромные для российской науки средства — 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах.

Корпорация является некоммерческой организацией и действует в целях содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, а также их внедрения в производство и сферу услуг.

В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вицепремьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом “нанотехнологии” — это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще есть какие-нибудь нанотехнологии. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить.».

Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство не будет выделять деньги. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.

Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров — частных инвесторов.

«РОСНАНО» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Приоритетные направления инвестирования выбираются на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.

Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «РОСНАНО», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования. Они разработаны одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Раховским.

На конец сентября 2009 года, по заявлению главы ГК «РОСНАНО» Анатолия Чубайса, на конференции, посвященной итогам двухлетней работы корпорации, на рассмотрении в «РОСНАНО» находится более 1200 проектных заявок с общим бюджетом 1452,7 млрд рублей, в том числе с долей корпорации 928,5 млрд рублей. Всего одобрено 36 проектов (из них — 32 производственных), и продолжается процесс по экспертному отбору пяти заявок ежемесячно. Общий объем инвестиций по этим проектам составил почти 94 млрд рублей, из них более половины средств (52,4 млрд рублей) уже внесено корпорацией. На рассмотрение поступили также восемь проектов от зарубежных заявителей.

В 2009 году ГК «РОСНАНО» было запланировано инвестировать в проекты в сфере нанотехнологий 30,3 млрд руб. Всего в 2009 году «РОСНАНО» планировала отобрать 50 проектов, прошедших квалифицированную многоуровневую экспертизу. Большая часть из них будет профинансирована в 2010 году.

Только от реализации данных проектов к 2015 году будет получено 155 млрд рублей выручки, а объем всей отечественной наноиндустрии, по планам главы «РОСНАНО», достигнет 900 млрд рублей.

Основными направлениями инвестиционной деятельности «РОСНАНО» являются следующие отрасли:

• солнечная энергетика и энергоснабжение;

• наноструктурированные материалы;

• медицина и биотехнологии;

• машиностроение и металлообработка;

• опто— и наноэлектроника;

• развитие нанотехнологической инфраструктуры.

«РОСНАНО» вкладывает значительные средства — около 3.3 млрд рублей — в четыре проекта по созданию композитных материалов (в том числе различные сверхвысокомолекулярные волокна) для аэрокосмической техники. В 2015 году объем реализации этой продукции достигнет 21,7 млрд рублей.

В оптическую и наноэлектронику вкладывается около 3.4 млрд рублей (из них средства корпорации — 1,8 млрд рублей). Выручка в этой области через шесть лет должна составить около 7,4 млрд рублей.

Особое место уделяется солнечной энергетике и медицине. В энергетику «РОСНАНО» инвестировала 3,6 млрд рублей, а в развитие нанотехнологической медицины — 1,3 млрд рублей. К рубежному 2015 году планируется уровень продаж 10,3 и 4,6 млрд рублей соответственно.

В целом, по планам российского правительства и научной общественности, в 2015 году Российская Федерация в общем объеме должна изготовить продукции с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн долларов. Уже сейчас в России работают более 100 предприятий, выпускающих нанотехнологическую продукцию мирового качества (табл. 3).

Таблица 3. Некоторые наиболее известные отечественные производители нанотехнологической продукции

Как заявил вице-премьер Сергей Иванов, к развитию нанотехнологий необходимо привлекать также средний и малый бизнес, создавая для этого «оптимальные условия»: «Госкорпорация — это только одна структура, а мы хотим создать наносеть по всей стране».

Государственная корпорация «РОСНАНО» выделяет следующие основные тематические направления создаваемой национальной наносети:

• конструкционные наноматериалы (углеродные материалы, металлы, сплавы, стекла, керамика, полимеры);

• композиционные наноматериалы;

• функциональные наноматериалы с особыми физическими свойствами и высокочистые вещества;

• функциональные наноматериалы для энергетики;

• функциональные наноматериалы для космической техники;

• нанобиотехнологии (наномедицина, нанофармакология, нанотехнологии для сельского хозяйства);

• нанотехнологии топливно-энергетического комплекса (ТЭК);

• наноэнергетика;

• наноэлектроника;

• наноинженерия;

• нанотехнологии для безопасности;

• метрология и стандартизация в области нанотехнологий.

Как уже отмечалось, поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, «РОСНАНО» развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.

С 3 по 5 декабря 2008 года в Москве был успешно проведен Первый Международный форум по нанотехнологиям (Rusnanotech-2008), в рамках которого состоялись пленарные заседания с участием высших должностных лиц страны и организаторов науки, отвечающих за развитие этой научно-технологической сферы, прошли панельные дискуссии и научно-технические секции по различным областям нанотехнологий.

В общей сложности мероприятия форума посетили свыше 9000 человек. С докладами и презентациями в рамках форума выступили более 1400 представителей мировой наноиндустрии, государственной власти, бизнеса и науки из 33 стран. Научные доклады участников конференции опубликованы в трех сборниках, причем отдельным сборником вышли доклады молодых ученых, принявших участие в работе форума. В выставке приняли участие 309 российских и зарубежных компаний, продемонстрировавших свои самые последние достижения.

Второй Международный форум по нанотехнологиям прошел 6–8 октября 2009 года в Москве, также в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр» (рис. 5).

По словам главы государства Д. А. Медведева, рынок российской наноиндустрии к 2015 году должен достигнуть объема в 900 млрд рублей. При этом четверть произведенных в отрасли товаров пойдет на экспорт, что позволит снизить зависимость экономики страны от продажи энергетических ресурсов. В ближайшие пять лет государство планирует вложить в развитие нанотехнологий 318 млрд рублей.

В рамках открытия Rusnanotech-2009 прошло награждение первой Международной премией в области нанотехнологий (Rusnanoprize-2009) российского физика-теоретика академика РАН Леонида Вениаминовича Келдыша и американского профессора Альфреда Чо за разработку «Полупроводниковые сверхрешетки и технология молекулярно-лучевой эпитаксии».

Рис. 5. ««Нанотехнологическая деревня» корпорации ««РОСНАНО» на Втором Международном форуме и выставке по нанотехнологиям Rusnanotech 09

В 1962 году академик Леонид Келдыш опубликовал первые теоретические работы, в которых предсказал уникальные свойства периодических (слоистых) полупроводниковых наноструктур — гетероструктур. Эти работы послужили отправной точкой для разработки технологии, позволяющей выращивать наноструктуры с атомной точностью, и последующего ее применения в электронике и оптоэлектронике.

В конце 60 — начале 70-х годов прошлого века ведущий сотрудник Bell Laboratories , профессор Альфред Чо разработал основы технологии, получившей название «молекулярно-лучевая эпитаксия», за что и получил столь высокую награду. Уже в 1978 году французская компания Riber S.A. выпустила первые промышленные установки, работающие по данному принципу.

В настоящее время наногетероструктуры, полученные методами молекулярно-лучевой эпитаксии, практически незаменимы при производстве оборудования сотовой телефонии и развития Интернета, полупроводниковых источников света (светодиодов, лазеров), фотоприемных устройств различного назначения, фотовольтаики, разработке сенсоров для интеллектуальных систем управления и развития робототехники.

На форуме были проведены научно-практические конференции, комплекс панельных дискуссий, а также докладов деловой части и научно-технологических секций, презентаций компаний, приборов и оборудования. Важнейшей частью форума снова стала специализированная выставка, на которой были представлены современные образцы отечественной и зарубежной нанотехнологической продукции, новейшие разработки в области нанотехнологий, оборудование для наноиндустрии.

Для решения задач в области развития нанотехнологий (нанонауки, наноиндустрии) необходим комплекс мер по подготовке, привлечению и закреплению кадров, прежде всего молодых специалистов, работающих в области нанотехнологий и наноматериалов, а также дальнейшее повышение их квалификации.

По расчетам ГК «РОСНАНО», для выполнения только проектов, инвестируемых госкорпорацией, необходимо около 150 000 специалистов. При этом 100 000 из них должны иметь высшее образование. Во многих учебных заведениях нашей страны начата подготовка кадров в области нанотехнологии.

В целях популяризации научных и прикладных исследований в области нанотехнологий особое место уделяется широкой пропагандистской кампании в печатных и электронных средствах массовой информации. С этой целью в России выпускается около десятка специализированных печатных журналов: «Российские нанотехнологии», «Нанотехника», «Нанотехнологии и наноматериалы», «Наноиндустрия», «Нано— и микро-системная техника», «Нанотехнология», «Наноструктурное материаловедение», «Нанотехнологии. Экология. Производство», «Форсайт» и др.

Очень активную позицию занимают в русскоязычных ресурсах интернет-издания Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы» (http://www.portalnano.ru), «Нанометр» (http://www.nanometr.ru), «Нано Дайджест» (http://nanodigest.ru), «Российский электронный наножурнал» (http://www.nanojornal.ru), «Сайт о нанотехнологиях № 1 в России» (http://www.nanonewsnet.ru), «Официальный сайт потребителей нанотоваров» (http://www.nanowere.ru) и др.

Несмотря на достаточно насыщенный и плодотворный путь, пройденный нанонаукой, все же стоит отметить, что мы все еще находимся в начале пути ее развития.

Как указывает академик РАН Ю. А. Третьяков, в своем отношении ко всему новому, в том числе к нанотехнологиям, человечество переживает две основные стадии. Необоснованные ожидания через «положительную», а затем «отрицательную» гиперболизацию представляющихся возможностей. В Японии, например, уже выдвигаются «анти-» или «постнанотехнологические» инициативы.

Важно, чтобы своеобразный «нанотехнологический бум» не прошел стороной, не сумев породить в душах и помыслах людей, особенно в сердцах ученых и политиков, ни малейшего желания и энтузиазма для успешного развития нанонауки и наноиндустрии. Однако важно также, чтобы он не захлестнул их с головой, не бросил в пучину спекуляций и ненужного ажиотажа, получившего полууголовное определение «нанопурга».

Природные нанообъекты и наноэффекты

Как великий художник, природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.

Генрих Гейне, немецкий поэт, публицист, критик

В 1665 году сын английского священника Роберт Гук (Robert Hooke) в своей работе Micrographia первым опубликовал рисунки обнаруженных им микроорганизмов, за которыми наблюдал через простейший микроскоп собственного изготовления.

После того как голландский торговец и изобретатель Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek) создал свой первый микроскоп с увеличением уже в более чем 200 раз, появилась возможность заглянуть на уровень микрообъектов вооруженным глазом. Оказалось, что окружающий нас мир наполнен разнообразными микроскопическими биологическими созданиями.

В 1683 году Левенгук написал письмо в Королевское научное общество в Лондоне, где описал бактерии «как невероятно большое собрание крошечных организмов». Именно эти биологические наблюдения Левенгука принято считать одними из первых научных исследований в мире. Как заметил еще в I веке до н. э. древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, «изучение и наблюдение природы породило науку».

С развитием науки оказалось, что о нанометрической сущности многих на первый взгляд простых объектов, материалов и эффектов мы порой даже и не подозреваем.

Как уже отмечалось, сам термин «нано» изначально появился именно применительно к биологическим объектам.

На семинаре в Германии в 1909 году в Берлинском экологическом обществе известный немецкий биолог Ганс Ломанн (Hans Lohmann) предложил новый термин — нанопланктон. Этим термином он назвал разнородные карликовые (размером менее 5 мкм) микроорганизмы, которые отделяются от воды только с помощью центрифуги, не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.

Наполнением планктона, который наблюдал ученый только через оптический микроскоп, служат диатомеи, кокколитофориды, бактерии, некоторые простейшие, а также водные растения группы кремниевых жгутиконосцев.

Более того, в настоящее время различают еще и пикопланктон, состоящий из бактерий и наиболее мелких одноклеточных водорослей размером 0,2–2 мкм, а также фемтопланктон из океанических вирусов величиной менее 0,2 мкм. Как видим, их реальные размеры не имеют ничего общего с размерностью системы СИ, но широко используются океанологами всего мира.

Если реальные размеры бактерий исчисляются микрометрами, то белки занимают размерную нишу в диапазоне 4-50 нм. Аминокислоты имеют величину около 1 нм, а размер большинства вирусов — всего от 10 до 200 нм (табл. 4).

Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли 1–4 млн человек, представляет собой сферу диаметром 80-120 нм (рис. 6).

Таблица 4. Размеры некоторых биологических нанообъектов

Вирусы — это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) — гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.

Рис. 6. Вирус гриппа H2N2 (диаметр около 100 нм)

До конца XIX века в медицине «вирусом» называли любой инфекционный объект, вызывающий заболевание. Современное определение термин получил только после 1892 года, когда русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский обнаружил «фильтруемость» возбудителя мозаичной болезни табака (табачной мозаики). Он установил, что какие-то вещества клеточного сока из пораженных этой болезнью растений даже после фильтрации от бактерий вызывают то же заболевание у здоровых растений. Так были открыты вирусы.

Отличительная особенность этих и других биологических и биогенных объектов — их способность к агрегации (объединению элементов в одну систему) и самоорганизации. Данные свойства активно используются в нанобиотехнологиях при создании искусственных наноконструкций, обладающих некоторыми свойствами реальных биологических структур.

Характерный пример — различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы — особые мембранные структуры, способные при определенных условиях формироваться из жира или жироподобных веществ (липидов). Уже сейчас различные вирусы эффективно используются в генной трансфекции (модифицировании) клеток. Например, установлено, что аденовирусы (представитель группы ДНК-вирусов) с разрушенной способностью к размножению (саморепликации) имеют потенциальную возможность для использования в местной неинвазивной (без инъекций) вакцинации через кожу (рис. 7). Для направленной доставки лекарственных средств также подходят следующие искусственные биогенные структуры: циклические пептиды, хитозаны, липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии, наночастицы на основе нуклеиновых кислот.

Существуют предположения, что на базе вирусной частицы можно создать подвижный металлизированный электрический проводник. Для подобных экспериментов наиболее подходит вирус табачной мозаики (длина 120 нм), содержащийся в соке пораженных им растений. При этом листья больных растений покрываются специфическими табачными пятнами. По мнению академика Иосифа Григорьевича Атабекова[6], этот вирус можно использовать как средство доставки внутрь клетки нового гена, несущего на себе специальную вакцину. Ученый предлагает осуществлять сборку вирусоподобных частиц из химерных субъединиц вирусного белка, а затем применять их в лечебных целях в качестве наноконтейнеров для доставки лекарственных средств к пораженным клеткам организма.

Рис. 7. Внешний вид и строение аденовируса: 1 — капсомеры; 2 — геном

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляет собой двойную упакованную наноцепь, в которой две нуклеотидные наноцепи закручены одна вокруг другой с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм (рис. 8).

Рис. 8. Структура молекулы ДНК

Важным достижением в области эволюционных нанотехнологий являются работы ученых из Университета Брауна и Бостонского колледжа с молекулами ДНК. По сообщению сайта physorg.com, они сумели использовать возможности кодирования информации, которыми обладает молекула ДНК, для производства проводящих микроволокон из окиси цинка. Применение молекулы ДНК в качестве «сборочного устройства» и строительного материала нанотехнологий также обусловлено тем, что фосфат в ее составе несет отрицательный заряд. Нановолокна из оксида цинка формируются на поверхности углеродных нанотрубок. Поэтому впервые уникальные свойства ДНК были использованы для создания наноматериала с заданными свойствами. Уникальность свойств полученных наноструктур состоит в том, что они генерируют и обнаруживают свет, а при приложении механического усилия производят электроэнергию. Оптические и электрические свойства нановолокон можно использовать во многих областях: от медицинской диагностики до сенсоров.

По мнению доктора Адама Лазарека (Adam Lazareck) из Университета Брауна, использование молекул ДНК для создания наноматериалов — первый шаг в применении биологических объектов в качестве средств производства.

В ходе эксперимента молекулам ДНК была обеспечена среда для обычной работы по «производству» деталей наноконструкций. Формирование такой химической среды, молекулярный дизайн и соответствующую «механику» — светочувствительные белки или вирусные «моторы» — можно применять для создания сверхминиатюрных приборов и материалов. При этом впервые в мировой практике группа Лазарека использовала ДНК в качестве «инструкции» для систем «самосборки» наноэлементов.

На основе одинаковых по размерам нанотрубок были произведены унифицированные структуры, состоящие из миллиардов подобных элементов, равномерно распределенных на поверхности пленки из окиси алюминия. На концах нанотрубок поместили фрагменты ДНК, несущие информацию в виде последовательности 15 «букв» генетического кода. Эти фрагменты специфически комплементарны ленте из других 15 кодонов (триплетов), соединенных с наночастицами золота и играющих роль «сборочных устройств». Создание нановолокон завершилось после введения в химическую среду арсенида цинка и ее последующего нагревания до 600 °C. В результате образовались волокна из окиси цинка длиной порядка 100–200 нм.

В настоящее время установлено, что наночастицы из золота или полупроводников можно прикрепить практически к любым биологическим молекулам, чтобы затем с помощью электронных приборов контролировать их поведение. «Такую процедуру можно проводить на расстоянии, обратимо и точно, — заявляет Шугуан Чжан (Shuguang Zhang), заместитель директора Центра биомедицинской инженерии Массачусетского технологического института, один из авторов исследования. — Это пригодится, чтобы как следует разобраться в тонкостях взаимодействия между молекулами».

Инициатором подобных работ был квантовый физик Джеймс Якобсон (James Jacobson). Он начал заниматься биологией, чтобы создавать машины нанометрового размера, оперирующие отдельными атомами и молекулами. Ученый поставил сложную цель, поскольку до сих пор инженеры с большим трудом делают компьютерные чипы меньше 30 нм. Вместе с тем в живом организме очень много более компактных систем: любая живая клетка — это своего рода биозавод с источниками энергии, чертежами клеточного хозяйства, средствами производства и утилизации.

Дж. Якобсон и его коллеги из Центра биомедицинской инженерии прикрепили к молекуле ДНК особую радиоантенну, собранную примерно из сотни атомов металла. При облучении радиоволнами определенной длины молекула переходила в новое состояние.

Управление биомолекулами с помощью радиосигналов — самое современное направление исследований, способное произвести революцию и в методах исследования живого мира, и в биотехнологиях. Можно будет во всех деталях изучать поведение отдельных живых молекул, не травмируя близлежащие клетки. Ш. Чжан привел такое сравнение: «Можно разговаривать с человеком из толпы через громкоговоритель, а можно — по мобильному телефону».

Однако чудеса нанотехнологий не заканчиваются вирусами и бактериями. Например, ящерица геккон может удерживать вес своего тела на вертикальной плоскости, касаясь ее только одной лапой. Щетинки на лапах геккона притягиваются к поверхности благодаря силам межмолекулярного взаимодействия Вандер-Ваальса. Каждая щетинка в нижней части расщеплена на тысячи тончайших волосков с лопаткообразными кончиками, которые взаимодействуют с ровной поверхностью на молекулярном уровне. Создание аналога лапке геккона на базе нанотехнологий позволит решить проблему безопасности высотных работ, изготовить сверхнадежные тормозные системы, удобную бесшовную одежду и многое другое.

Главной идеей, к которой пришел Р. Фейнман, размышляя о возможности создания микронных механизмов, было то, что человек должен учиться у природы, подражая ей при создании механизмов «снизу вверх». Так, в своей книге[7] ученый пишет, что его видение красоты цветка сильно отличается от видения художника. Фейнман представляет себе цветок не только в сантиметровом масштабе, но может также увидеть все его клетки и вообразить сложные процессы, которые в них происходят, и в этом тоже есть своеобразная красота. Джеймс Глейк полагал, что интерес Фейнмана к молекулярным и атомным структурам был связан с тем, что тот много размышлял над вторым началом термодинамики и связью между энтропией и информацией. По мнению Глейка, Фейнману казалась удивительной способность живых организмов хранить и воспроизводить генетическую информацию для создания подобных себе сложных механизмов, которые обусловливали их существование[8].

Задача современной науки — заметить, правильно оценить и успешно применить на практике уникальные явления природы, основанные на нанотехнологиях (да и не только), которые природа смогла создать за миллиарды лет эволюции.

Об одном таком открытии, нашедшем в последующем широкое применение в строительстве и технике, мы расскажем подробнее.

В середине 70-х годов XX века ученые-ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются. Этот феномен был замечен в наноструктурированных поверхностных областях изучаемых растений. Впоследствии данное явление было запатентовано и названо «лотос-эффектом» (Lotus-effect®) в честь наиболее яркого представителя таких растений.

Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты: как известно, листья и нежно-розовые цветки лотоса распускаются в грязной тине водоемов безупречно чистыми (рис. 9).

Рис. 9. Долина лотосов и капля влаги на поверхности листа

После детального исследования этого феномена самоочистки открылись удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается и у других растений (листья капусты, люпина (рис. 10), камыша, водосбора, тюльпана), а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природным свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического (споры грибков, микробов, водоросли и т. д.) происхождения.

Рис. 10. Капли дождя на несмачиваемом листе люпина

С помощью электронных микроскопов учеными было обнаружено, что поверхности листьев, цветков и побегов покрыты тонкой внеклеточной мембраной — поверхностным слоем (эпидермисом, кожицей). Эпидермис некоторых растений выделяет воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров. Жиры и жироподобные вещества, входящие в состав липидов (природных органических соединений), — одни из основных компонентов биологических мембран. Липиды участвуют в обмене между растениями и окружающей средой (рис. 11).

Рис. 11. Поверхность листа лотоса под электронным микроскопом

Взаимодействие между твердыми телами и окружающей средой происходит почти исключительно в поверхностных (пограничных) слоях (межфазовой зоне), что справедливо и для этих биологических систем. Биологические поверхности, созданные за миллионы лет в результате эволюции, являются максимально оптимизированными мультифункциональными системами. Они обеспечивают механическую стабильность, терморегулирование, контроль водно-солевого обмена, газовое регулирование и т. д. Постоянное загрязнение листьев растений нарушает в них многие биологические процессы.

Лотос-эффект не является случайным феноменом, он возник в результате эволюции и вызван необходимостью выживания растений. На живую ткань отрицательно воздействуют (более высокий нагрев под солнечным облучением, действие кислоты и др.) органические формы в виде спор грибков, бактерий или водорослей. Лотос-эффект предотвращает появление патогенных субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а в отсутствии дождя нет и влаги как условия для жизнедеятельности, размножения и паразитирования спор.

На оптимизированных поверхностях (например цветке лотоса) проявляются супергидрофобные качества, благодаря которым мед и даже клей на водной основе не прилипают, а полностью стекают с поверхности.

Степень увлажнения твердого тела описывается с помощью контактного угла а, входящего в формулу с поверхностной энергией а на различных межфазных границах в соответствии с законом Кассье[9]:

cos α = (σт — г —σт — ж)/σж — г,

где σт — г — напряжение на межфазной границе «твердое тело — газ», МПа;

σт — ж — напряжение в межфазной границе «твердое тело — жидкость», МПа;

σж — гг — напряжение в межфазной границе «жидкость — газ», МПа.

Нулевой контактный угол обеспечивает полное увлажнение. Это значит, что капля воды стремится растянуться к состоянию моно-молекулярной пленки на поверхности твердого тела. Контактный угол 180° указывает на совершенную несмачиваемость, так как капля касается поверхности только в одной точке. Материалы с высоким напряжением граничных поверхностей увлажняются лучше, чем даже, например, тефлон — материал с одним из самых низких напряжений граничных поверхностей. Поведение воды зависит от состояния поверхности. Если относительно гладкая поверхность увлажняется достаточно, самоочистка улучшается (рис. 12).

Рис. 12. Капля жидкости на супергидрофобной поверхности (капля касается листа только в нескольких точках, стягивается за счет поверхностного натяжения к шару и свободно скатывается при самых незначительных углах наклона)

Попавшая на поверхность листа капля воды удаляет с него частицу загрязнений. При этом частицы не проникают во внутреннюю часть капли, а равномерно распределяются по ее поверхности. Замечено, что гидрофобная субстанция удаляется каплей воды с гидрофобной поверхности. При рассмотрении условий протекания лотос-эффекта на наноскопическом уровне механизм этого явления становится более понятным.

С помощью закона Кассье можно объяснить, почему значение контактного угла для поверхности, а следовательно, условие несмачиваемости (самоочистки) можно легко изменить, придав поверхности необходимый в данном случае наноразмерный рельеф.

Представим массажную щетку, на зубьях которой лежит клочок бумаги, изображающий частицу загрязнений. Пятно «грязи» расположено только на самых вершинах зубьев, не соприкасаясь с поверхностью щетки (рис. 13, б). Сила адгезии (прилипания) «грязи» обусловлена площадью поверхности взаимного контакта. Если бы поверхность была гладкой или макрорельефной (рис. 13, а), площадь контакта оказалась бы значительной, и «грязь» удерживалась бы достаточно прочно. Однако из-за острых концов зубьев площадь контакта минимальна, и «грязь» как бы «висит на ножке». То же происходит и с каплей воды. Она не может «растечься» по остриям и поэтому стремится свернуться в шарик (рис. 13, б).

Рис. 13. Положение капли воды на а) макро— и б) наноповерхности

Аналогичное явление происходит с различными видами загрязнений на восковых кристалликах, покрывающих листья лотоса. Площадь соприкосновения загрязнений с поверхностью листа крайне незначительна. При этом силы сцепления между каплей воды и частицей загрязнения оказываются значительно более высокими, чем между этой же частицей и восковым слоем листа.

У загрязнения есть две возможности: продолжать неустойчиво балансировать на шипах или «слиться» с гладкой ровной поверхностью движущейся водной капли, вследствие чего частицы загрязнений притягиваются к поверхности водной капли и легко смываются даже небольшим количеством воды. Капли воды, обволоченные повстречавшимися на пути хлопьями грязи, скатываются вниз, оставляя за собой чистую сухую поверхность.

В соответствии с исследованиями Кассье, защитные водоотталкивающие свойства оперения водоплавающих птиц в основном обусловлены их особой ребристой структурой, а не наличием на перьях защитных жироподобных веществ, тогда как в случае с поверхностью листа лотоса эти свойства только дополняют друг друга. Водяные клопы-водомерки (лат. Gerridae), известные своими возможностями легкого перемещения (скольжения) по поверхности воды, также используют это природное явление. Тело и кончики ног этих насекомых покрыты не смачиваемыми в воде волосками, обеспечивающими их столь удивительные возможности.

Так как лотос-эффект основан исключительно на физикохимических явлениях и свойствах растений и не привязан только к живой системе, то самоочищающиеся поверхности можно технически воспроизвести для всевозможных материалов. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению самоочищающихся поверхностей и покрытий.

Наиболее широкое применение нанотехнологии на основе «эффекта лотоса» получили в автомобильной промышленности, строительстве, при производстве защитных тканей и в ряде других отраслей: это специальные препараты для лакокрасочного покрытия (краски, лаки, полироли, шампуни); непромокаемые зонты, плащи, брезент; водоотталкивающие спортивные купальные костюмы, антивандальные краски и покрытия для общественного транспорта и фасадов строений; незапотевающие стекла, зеркала, керамическая плитка; малозагрязняющийся бактерицидный текстиль и др.

Существуют и многие другие природные нанообъекты и наноэффекты, которые мы будем описывать в соответствующих разделах книги.

Искусственные наноструктуры

Самые удивительные и полезные изобретения не принадлежат к числу тех, которые делают много чести человеческому уму.

Вольтер, французский писатель, историк, философ-просветитель

Самым простым наноматериалом могут служить фрагменты вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные каким-то другим физическим или химическим способом. Хотя бы в одном измерении они должны иметь протяженность не более 100 нм и проявлять качественно новые свойства (физико-химические, функциональные, эксплуатационные и др.).

Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире: от отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из небольшого числа атомов и, следовательно, уже в значительной степени проявляют дискретную атомно-молекулярную структуру вещества, квантовые эффекты и энергетику развитой поверхности наноструктур.

Наноструктуры обладают сочетанием ряда параметров и физических явлений, не свойственных традиционным моно— и поликристаллическим состояниям материалов. Уменьшение размера кристаллов (в первую очередь — в металлах и сплавах) может приводить к существенному изменению свойств материалов. Установлено, что эти изменения проявляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, а наиболее эффективны при размере зерен менее 10 нм.

Наибольшее распространение получили наноразмерные (или ультрадисперсные) порошковые материалы. При этом частицы порошка могут иметь сферическую (равноразмерную) или цилиндрическую форму, вид нанопроволоки или нановолокна, либо представлять собой наночешуйки (пластинки). Главное, чтобы одно из измерений (диаметр шариков или толщина чешуек) не превышало 100 нм.

На рис. 14 показаны сферические наноразмерные структуры кремния, здесь диаметр 84 % частиц — 44 нм, а 16 % — 14 нм. Этот наноразмерный кремний получен при разложении газообразного моносилана (кремневодорода) SiH4, из которого получают чистый полупроводниковый кремний в инертной среде при резонансном поглощении лазерного излучения.

Рис. 14. Наноразмерные частицы кремния диаметром 14–50 нм (distance 40,7 nm — ориентировочная шкала размеров)

Еще одной формой порошковых наночастиц могут быть слоистые наночешуйки толщиной до 100 нм. На рис. 15 представлены наночастицы монтмориллонита (глинистого минерала подкласса слоистых силикатов), модифицированного фторуглеродными соединениями со слоистым строением, которые применяются в качестве реологических добавок к жидким полимерным системам, например для создания препаратов автохимии.

На рис. 16 представлены нановолокна политетрафторэтилена (ПТФЭ), полученные по электронно-лучевой технологии производства ультрадисперсного ПТФЭ. Диаметр нановолокон — 40–60 нм при длине несколько микрометров.

Рис. 15. Наноразмерные слоистые частицы монтмориллонита, модифицированного фторуглеродными соединениями

Рис. 16. Нановолокна политетрафторэтилена (диаметр нановолокон 40–60 нм)

В Городском университете Гонконга группа ученых под руководством Шит-Тунг Ли (Suit-Tong Lee) создала самое миниатюрное нановолокно в мире (его диаметр равен 1,3 нм), используя методику выращивания с помощью оксида. Во время экспериментов диаметр нановолокна варьировался от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Получившееся с помощью данного метода волокно состояло из монокристалличе-ской кремниевой сердцевины и оксидной оболочки размером примерно в одну треть диаметра. Для получения нановолокна, устойчивого к окислению, исследователи удалили оксидное покрытие и ограничили рост поверхности волокна с помощью водорода.

Для определения ширины запрещенной зоны нановолокна была использована сканирующая туннельная спектроскопия. Обнаружилось, что ширина зоны растет с уменьшением диаметра волокна: от 1,1 эВ при диаметре 7 нм до 3,5 эВ при диаметре 1,3 нм. Это согласуется с существующими теоретическими моделями и служит экспериментальным подтверждением влияния квантовомеханических эффектов на плотность электронных состояний в кремниевых нановолокнах. Ученые планируют использовать новый наноматериал в светодиодах и лазерах.

Одним из главных химических элементов, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы. В качестве самостоятельного химического элемента углерод был признан одним из основоположников современной химии, великим французским ученым Антуаном Лавуазье (Antoine Laurent Lavoisier), в конце XVIII века и получил название (Carboneum) от латинского слова carbo — уголь. До недавнего времени было известно, что углерод образует четыре аллотропные формы — алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдейлит (впервые найден в метеоритах, затем получен искусственно). При этом уже на этапе перехода углерода от обыкновенного угля (балк-материала) к графиту отмечаются значительные изменения его свойств.

В конце XIX века немецкий химик Адольф фон Байер (Adolf Johann Friedrich Wilhelm von Baeyer) пытался синтезировать одномерный (цепочечный) полимер из производных ацетилена, но потерпел неудачу. Успешный синтез карбина (carby^) был произведен в Советском Союзе Алексеем Михайловичем Сладковым, Юрием Павловичем Кудрявцевым, Владимиром Ивановичем Касаточкиным и Василием Владимировичем Коршаком в Институте элементоорганических соединений в 1960 году.

Структура карбина представляет собой углеродные цепочки, располагающиеся параллельно друг другу и соединенные между собой связями Ван-дер-Ваальса. Установлено, что карбин может существовать в двух изомерных формах:

1) полииновой (чередование одинарных и тройных связей):

…-С=С-С=С-С=С-С=С… (α-карбин);

2) поликумуленовой (все связи двойные):

…=С=С=С=С=С=С=С=С… (β-карбин).

В 1967 году в Аризонском кратере (США), образовавшемся от падения гигантского метеорита, вместе с микроскопическими алмазами были найдены и коричневато-желтые кристаллы ранее неизвестной гексагональной формы углерода. В честь английской женщины-кристаллографа Кэтлин Лонсдейл (Kathleen Lonsdale) эта аллотропная форма углерода получила название «лонсдейлит». Впоследствии лонсдейлит был искусственно получен посредством термического распада полигидрокарбина в среде аргона при атмосферном давлении и нагреве выше 110 °C.

Известны и другие формы углерода, например аморфный углерод, белый углерод (чароит) и др., но они являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.

Атомы углерода в кристаллической структуре графита (рис. 17, а) связаны между собой прочными ковалентными связями и формируют шестиугольные кольца, образующие прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями. Расстояние между атомами в вершинах правильных шестиугольников равно 0,142 нм, а между слоями — 0,335 нм. Слои слабо связаны между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки, что обусловило его применение в различных смазочных материалах в качестве противозадирного и противоизносного компонента.

В структуре алмаза (рис. 17, б) каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями. Такая структура определяет свойства алмаза как минерала с самой высокой твердостью из всех известных в природе.

Рис. 17. Аллотропные формы углерода: а — графит; б — решетка алмаза; в — молекула фуллерена С60

Ученым было известно, что при высоких температурах углерод в газообразном состоянии может образовывать кластеры (совокупность двух или более однородных элементов (атомов или молекул), которую можно рассматривать как самостоятельную единицу, обладающую специфическими свойствами). Великие немецкие ученые Отто Ган (Otto Hahn, в 1938 году открыл деление ядер урана, а также химические элементы нептуний и плутоний) и Фриц Штрассман (Fritz Strassmann) впервые обнаружили, что в парах углерода, находящихся в равновесии с конденсированным графитом при температурах 3000–4000 K преобладают кластеры Cn с наиболее часто встречающейся модификацией C. Методами масс-спектроскопии они зарегистрировали, что углеродные кластеры — ионы до C+15 — получаются в электрической дуге между графитовыми электродами.

Первые квантовые расчеты структур углеродных кластеров до 20 атомов были сделаны в 1959 году. Ученые пришли к выводу, что такие кластеры имеют вид линейных цепей от C2 до C10, а при большем количестве атомов должны приобретать кольцеобразную форму. При дальнейшем увеличении количества углеродных атомов в определенный период могут формироваться двух-и трехмерные структуры. Вопрос о том, какую же форму они имеют на самом деле, долго оставался дискуссионным. Например, в середине 60-х годов XX века английский химик-теоретик Джон-Эдвард Леннард-Джонс (John Edward Lennard-Johnes) предположил, что графитовые листы могут сворачиваться, образуя «полые молекулы».

Углеродные кластеры впервые получили в 1984 году, а саму молекулу С60, как уже отмечалось, обнаружили в 1985 году при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца. Так стала известна еще одна аллотропная форма углерода — «фуллерен» (многоатомные молекулы углерода Сп). Название дано в честь известного американского архитектора-авангардиста, философа, поэта и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard Buckminster Fuller), разработавшего дизайн строительных конструкций, форма которых аналогична форме молекулы фуллерена С60 (рис. 17, в).

По существу фуллерен — это новая форма углерода. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией, несвойственной неорганическим соединениям в природе. Поэтому признано, что молекула фуллерена является органической, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит), — это молекулярный кристалл, связующее звено между органическим и неорганическим веществом.

Из правильных шестиугольников легко выложить плоскую поверхность, однако нельзя сформировать замкнутую. Для этого необходимо разрезать часть шестиугольных колец и из разрезанных частей построить пятиугольники. В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников трансформируется в пятиугольники. Образуется усеченный икосаэдр с десятью осями симметрии третьего порядка и шестью осями симметрии пятого порядка. У каждой вершины этой фигуры есть три ближайших соседа. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник — только с шестиугольниками. Любой атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки — 0,1 нм, радиус молекулы С60 — 0,357 нм. Длина связи С-С в пятиугольнике — 0,143 нм, в шестиугольнике — 0,139 нм.

Молекулы высших фуллеренов С70, С74, С76, С84, С164, С192, С216 также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с п < 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьший из возможных фуллеренов — правильный додекаэдр С20.

Кристаллический фуллерен, который был назван фуллеритом, имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку пространственной группы с параметром α о = 1,42 нм, расстоянием между ближайшими соседями 1 нм и числом ближайших соседей в ГЦК-решетке фуллерита, равным 12.

Между молекулами С60 в кристалле фуллерита существует слабая связь Ван-дер-Ваальса. Методом ядерного магнитного резонанса было доказано, что при комнатной температуре молекулы С60 вращаются вокруг положения равновесия с частотой 1012 с-1. При понижении температуры вращение замедляется. При 249 К в фуллерите наблюдается фазовый переход первого рода, при котором гранецентрированная кристаллическая решетка переходит в простую кубическую. При этом объем фуллерита увеличивается на 1 %. Кристалл фуллерита имеет удельную плотность 1,7 г/см3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см3) и алмаза (3,5 г/см3).

Молекула С60 сохраняет стабильность в инертной атмосфере аргона до температур порядка 1700 К. В присутствии кислорода уже при 500 К наблюдается окисление с образованием оксида СО и диоксида углерода CO2. При комнатной температуре окисление происходит при облучении фотонами с энергией всего в 0,55 эВ, что значительно ниже энергии фотонов видимого света 1,54 эВ. Вследствие этого чистый фуллерит требует хранения в темноте. Процесс, продолжающийся несколько часов, приводит к разрушению ГЦК-решетки фуллерита и образованию неупорядоченной структуры, в которой на исходную молекулу С60 приходится 12 атомов кислорода. При этом фуллерены полностью теряют свою форму.

По сообщению physorg.com со ссылкой на онлайновую публикацию в Proceedings of the National Academy of Sciences, первый металлический аналог фуллерена синтезирован в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США в 2006 году. При этом теоретические расчеты проводила группа профессора Сяо Чэн Цзена (Xiao Cheng Zeng) из Университета штата Небраска, Линкольн. Самая малая из полученных молекул состоит всего из 16 атомов золота и по виду больше похожа на драгоценный камень, чем на шар (рис. 18), — по существу это первые металлические полые структуры.

Рис. 18. Структура наночастицы — золотого фуллерена Au6 (рисунок с сайта eurekalert.org)

Если минимальное число атомов углерода, необходимых для создания полой замкнутой молекулы, 60, то для создания аналога из золота потребовалось намного меньше атомов.

По словам руководителя исследования, профессора физики из Университета штата Вашингтон Лай-Шэн Ван (Lai-Sheng Wang), синтезированные молекулы состоят из 16, 17 и 18 атомов золота. Они образуют треугольники, из которых в дальнейшем и формируются более сложные структуры. Молекулу Au16 получают за счет изъятия четырех угловых атомов золота из неполой структуры Au20 и последующего подогрева оставшейся структуры. Когда сообщенная системе энергия превышает энергию активации, необходимую для перестройки, атомы сами выстраиваются в наиболее энергетически выгодную структуру.

Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут также образовываться протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием физико-химических свойств.

Идеальная углеродная нанотрубка представляет собой цилиндр, полученный при сворачивании графеновой плоскости, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода (рис. 19).

Рис. 19. Модель идеальной однослойной нанотрубки

Графен — это нанотрубка, развернутая в двухмерный лист. Данный наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Он назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток. Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена он характеризуется высокой мобильностью электронов, представляя собой очень перспективную основу наноэлектронных устройств.

В отличие от фуллеренов, нанотрубки могут содержать несколько слоев. Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, показали, что большинство нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев, вложенных один в другой или навитых на общую ось. Такие многослойные структуры получили название «луковичные структуры» — онионы (англ. onion — луковица). Они очень сложны и могут даже не иметь симметрии. Большие куски таких «гигантских» фуллеренов графитизированы, а расстояние между слоями близко к расстоянию между углеродными слоями в графите (0,33 нм). Подобные структуры формируются вложением друг в друга (как в матрешке) молекул С60, С240, С960, С1500, С2160, С2940 и т. д. Тем не менее у онионов имеются предпочтительные виды симметрий: сферическая симметрия и симметрия относительно оси пятого порядка. Чем больше размеры частицы, тем ярче выражен этот эффект. Такие структуры образуются в случае замещения структур с ненулевой кривизной (пятиугольники в обычных фуллеренах) на графитовые слои.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной модели. Это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, наряду с правильными шестиугольниками, содержащими по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает диаметр.

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций. Их поперечная структура имеет две разновидности (рис. 20). Одну назвали «русская матрешка», так как она представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Другая напоминает скатанный рулон или свиток. В рассмотренных структурах среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, составляет 0,335 нм.

Кроме того, эти нанотрубки самоорганизуются в связки-жгуты сечением более одной десятой миллиметра, что делает их очень многообещающими для технического применения в качестве многоканальной системы передачи информации или механических конструкций (рис. 21).

Рис. 20. Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а — «русская матрешка»; б — свиток

Рис. 21. Электронно-микроскопическое изображение жгута однослойных углеродных нанотрубок (10,10)[10]

В настоящее время выяснились совершенно фантастические свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика. Осталось научиться делать их как можно более длинными — размеры трубок связаны с прочностью изготавливаемых веществ.

Оказывается, узор однослойной нанотрубки определяет ее электронные свойства: нанотрубки с разными узорами могут быть металлами, полуметаллами и полупроводниками. Они являются прекрасными проводниками электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, нанотрубки способны испускать электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях. К тому же открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.

Группе ученых из Австралийского национального университета города Канберры на основе углеродных нанотрубок удалось создать еще одну новую форму углерода — нанопену. В процессе нагрева углеродной мишени мощным лазерным пучком с амплитудой 10 000 импульсов в секунду при температуре около 1000 °C был получен новый материал в виде мельчайшей сетки (пены), состоящей из нанотрубок.

Полученный материал обладает магнитными свойствами, хотя сам углерод таковых свойств не имеет. Это достоинство нанопены, по мнению австралийских ученых, наряду с высокой поглощающей способностью к инфракрасному излучению (нагреву), может сыграть важнейшую роль в медицине при обнаружении и уничтожении различных опухолей. При введении нанопены в кровеносную систему появляется возможность ее отслеживания с помощью магнитно-резонансной томографии и последующего лечения пораженных участков за счет более интенсивного инфракрасного нагрева больных тканей, не травмируя соседние здоровые клетки.

Нанотрубки обладают другими уникальными возможностями и свойствами, которые рассматриваются в последующих главах. При этом углерод не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.

В связи с постоянным и бурным развитием нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания других самых разнообразных форм и разновидностей объектов. Благодаря указанным выше геометрическим характеристикам их также можно будет можно отнести к наноматериалам.

Недавно сообщалось о создании новой разновидности наноструктур — своего рода нанотравы, которая представляет собой достаточно плотный слой нановолокон, перпендикулярно ориентированных к поверхности подложки.

Нанотрава состоит из так называемых вискеров (от англ. whisker — волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) — нитевидных кристаллов диаметром от 1 до 10 мкм (отношение длины к диаметру — более 1000).

Наибольший интерес представляют манганитные вискеры состава Ba6Mn24O48. Сам по себе манганит — это минерал из класса окислов и гидроокислов с химическим составом MnO(OH), который в общем случае содержит 80,66 % MnO, иногда примеси Fe, Al, Ba, Pb, Cu и др.

Вискеры, по мнению ученых, — один из перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств, из которых можно изготавливать плетеные материалы или вату, но пока исследования в этой области находятся только в начальной стадии развития.

В природе практически нет абсолютно однородных материалов. Многие из окружающих нас веществ представляют собой смесь различных сред (дисперсных систем). В зависимости от агрегатных состояний диспергированной системы (расположенной внутри) и дисперсной системы (являющейся основой или каркасом) вещества получили разное наименование (табл. 5).

Таблица 5. Типы дисперсных систем

Благодаря сочетанию свойств многие из дисперсных сред являются перспективными нанотехнологическими материалами. К таким материалам относится аэрогель — класс дисперсных сред, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза (диспергированная система) полностью замещена газообразной. По внешнему виду аэрогель напоминает обыкновенный пенопласт, а по структуре представляет собой древовидную сеть (дендриды) из объединенных в кластеры наночастиц размером 2–5 нм и полостей размерами до 100 нм. Поры аэрогеля могут занимать до 90–99 % всего объема вещества, при этом его плотность составляет всего от 1 до 150 кг/м3.

В результате аэрогели при очень низкой плотности обладают относительно высокой твердостью, прозрачностью (выдерживают нагрузку, в 2000 раз превосходящую собственный вес), жаропрочностью и т. д.

Изобретателем аэрогеля принято считать американского химика Стивена Кистлера (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне. Он получил новый материал, замещая жидкость в геле метанолом. При нагревании полученного геля до достижения критической температуры (240 °C) под давлением метанол практически полностью испарялся, а сама гелевая основа «высыхала», превращаясь в твердую фазу и практически не уменьшаясь в объеме. В 1931 году полученные результаты Стивен Кистлер впервые опубликовал в журнале Nature.

Наиболее исследованы аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х годов получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Рассматривая дисперсную систему аэрогелей, мы упомянули термин «дендриды» (греч. дендрон — дерево, англ. dendritic — ветвящийся, древовидный). В настоящее время принято выделять и особый класс наночастиц — дендримеров — химические соединения (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой (древообразные полимеры).

Дендримеры являются полимерной структурой и состоят из мономеров, структурированных в древовидную форму (рис. 22).

Рис. 22. Рост дендримерной молекулы из основы N-X-N (вверх) и внешний вид дендримера

Разветвленная структура, похожая на крону деревьев, имеет множество внутренних полостей, которые можно заполнять теми или иными веществами, создавая объекты с соответствующими свойствами. Например, собирать различные наноэлектронные и наноэлектромеханические системы с использованием сканирующей зондовой микроскопии. Если полости дендримеров заполнить лекарственным или косметическим средством, их можно использовать в качестве нанокапсул для доставки к пораженным клеткам человеческого организма, заполнив серебром, можно применять как бактерицидное средство и т. д.

Несколько слов следует сказать о квантовых точках (англ. quantum dots) — малых фрагментах проводника (полупроводника), ограниченных по всем трем пространственным измерениям, содержащих электроны проводимости и характеризующихся наличием квантовых эффектов.

Квантовые точки, разрабатываемые для нужд радиоэлектроники, представляют собой конгломераты атомов классических полупроводниковых материалов (Si, InP, CdSe и др.), покрытых слоем изолирующего материала. Они могут состоять из десятков тысяч атомов, при этом габариты конгломерата исчисляются единицами нанометров.

Квантовые точки могут быть произведены как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Применительно к электронной технике квантовые точки обладают свойствами, принципиально отличными от объемных полупроводниковых материалов. Однако из-за пространственного ограничения движения носителей заряда в них проявляется квантово-размерный эффект дискретной структуры электронных уровней, вследствие чего квантовые точки иногда называют «искусственными атомами» (рис. 23).

Рис. 23. Схема коллоидной квантовой точки: 1 — эпитаксиальная оболочка ZnS (структурный тип сфалерита); 2 — ядро CdSe; 3 — гидрофобная поверхность

Одно из свойств этих нанокристаллов — способность излучать видимый свет строго определенной длины волны. Изменяя размер квантовой точки, изготовленной из одного и того же материала, можно варьировать цвет излучения. Например, квантовая точка диаметром 2 нм светится синим, а 6 нм — красным цветом. Вследствие высокой размерной однородности (более 95 %) квантовые точки испускают достаточно узкий спектр волны (полуширина пика флуоресценции — всего 20–30 нм), чем достигается феноменальная чистота цвета. Это свойство очень существенно для возможного производства экологически чистых дисплеев на квантовых точках, обладающих высоким качеством передачи цветовой палитры изображения.

В зависимости от размера и химического состава наночастицы также обладают фотолюминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Квантовые точки могут производиться и поставляться на рынок наноматериалов в виде растворов в таких неполярных органических растворителях, как гексан, толуол, хлороформ или даже в виде сухих порошков.

В то же время следует указать, что не стоит так просто относить все, что имеет наноскопические, а тем более микроскопические размеры, к нанотехнологиям, ведь тогда, например, зубной порошок, муку, крахмал и многие другие материалы тоже следует называть нанотехнологиями. Трубочист только и имеет дело с нанообъектом (сажей), но это же не значит, что он специалист по нанотехнологиям.

Создание искусственных наноматериалов

Нанотехнологии — это технологии XXI века. И страна, которая будет их внедрять, станет лидером XXI века…

А. Д. Жуков, вице-премьер Правительства Российской Федерации

Для исследования объектов и процессов нанотехнологий, создания наносистем и развития наноиндустрии необходимо было разработать эффективные способы получения наноструктур и наноматериалов в достаточном (коммерческом или промышленном) количестве.

Исходным сырьем для наноматериалов являются в первую очередь, металлы и их оксиды (например, порошки оксида титана, оксида кобальта и др.), монтмориллонит, природные и синтетические полимеры. Кроме того, в России имеются ценные отходы производств, переработка которых позволяет получать компоненты, используемые в нанотехнологиях для выпуска продукции с достаточно высокими эксплуатационными свойствами. В частности, при синтезе нанополимерных композиционных материалов с рекордными физико-химическими и эксплуатационными характеристиками. Наносистемы на основе природных полимеров могут служить исключительно эффективными носителями биологически активных веществ, сорбентов и других материалов, которые широко используются в медицине, фармацевтике, при решении экологических проблем, связанных с утилизацией токсичных компонентов почвы, воды, атмосферы, в агропромышленном комплексе.

Наибольшее распространение в настоящее время получили нанодисперсные (ультрадисперсные) порошковые материалы.

Для их производства применяются следующие технологии: восстановление, электролитический метод, разновидности золь-гель технологии и плазмохимический метод.

1. Получение ультрадисперсных порошковых материалов восстановлением — один из самых дешевых методов, широко используемых для производства высокочистых металлических порошков.

2. При электролитическом методе применяется электролиз водных растворов, дающий порошки Fe, Cu, Ni, а также расплавов солей Ti, Zr, Nb, Ta, Fe, U, что, естественно, повышает себестоимость получаемой конечной продукции. Данная технология обеспечивает получение частиц с размерами в несколько десятков нанометров, имеющих дендритную форму.

3. При синтезе нанопорошков методом золь-гель технологии в предварительно разогретую смесь первичного реагента с необходимыми добавками быстро добавляется второй реагент. В процессе химической реакции образуется пересыщенный раствор заданного соединения, стремительно проходящего нуклеацию (в данном случае — начальная стадия фазового перехода от жидкого агрегатного состояния вещества к твердому) и вступающего в стадию роста кристаллов. Создание условий, при которых продолжительность нуклеации значительно меньше стадии роста, позволяет получать кристаллы с достаточно стабильными нанометрическими размерами.

4. Разновидность данного метода заключается в том, что в начале готовится «холодная» смесь реагентов, в которой скорость образования целевого вещества незначительна. При нагревании приготовленного раствора до необходимых температур образуется заданный продукт с концентрацией, достаточной для нуклеации. После быстрой и интенсивной нуклеации концентрация падает, и дальше происходит только рост образовавшихся частиц. В период роста кристаллов поддерживается температура, при которой процесс образования целевого вещества медленнее процесса его кристаллизации.

Достоинство обеих разновидностей золь-метода — возможность управлять размером, формой и степенью кристалличности наночастиц, варьируя комбинацию температуры и соотношения концентраций исходных реагентов и стабилизатора. Осажденные наночастицы отделяют от реагента в центрифугах. Золь-метод обеспечивает возможность формирования достаточно монодисперсных наночастиц различных полупроводников и металлов. Как мы видим, именно золь-методами получают радиоактивные материалы, при этом особое место отводится качеству и производительности задействованных центрифуг.

5. Наиболее рационально получать нанодисперсные порошки тугоплавких металлов (W, Mo, Ni) и их соединений (карбидов, нитридов и др.) плазмохимическим методом, представляющим собой восстановление металлов из их соединений под действием восстанавливающих газов. Электрической дугой высокой интенсивности в плазмотроне поддерживается плазма с температурой до 10 000 °C. При такой температуре в плазме, через которую пропускают газообразный восстановитель (водород или углеводороды и конвертированный природный газ), исходный материал расплавляется, а затем конденсируется в твердую дисперсную фазу.

Для получения фуллеренов оптимальным материалом является графит, поскольку он сам изначально имеет много общего со структурой фуллеренов. Однако в настоящее время ведутся интенсивные поиски и других способов синтеза, в которых исходным сырьем служат, например, смолистые остатки пиролиза углеродсодержащих материалов, нафталина и ряда других материалов.

В таблице 6 представлены наиболее распространенные способы получения наноматериалов.

Таблица 6. Основные способы получения наноматериалов

Известны работы, в которых электрическую дугу между электродами пропускают в среде растворителя — толуола и бензола. При этом, как показывает последующий масс-спектрометрический анализ, растворитель заполняется кластерами углерода с числом атомов, меняющимся от 4 до 76.

Газофазный метод (при 4000 °C и выше), обычно используемый для получения фуллерена С6 °CНТ, годится только для «гостевых» молекул, которые термически стабильны и могут подвергаться сублимации или испарению.

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. На рис. 24 показана простейшая схема установки для получения фуллеренов, предложенная В. Кречмером.

Рис. 24. Простейшая схема установки для получения фуллеренов: 1 — графитовые электроды; 2 — охлаждаемые медные шины; 3 — медный корпус; 4 — упругие пластины (пружины)

Распыление графита осуществляется при пропускании через его электроды 1, расположенные на охлаждаемых шинах 2 тока с частотой 60 Гц, силой тока от 100 до 200 А и напряжением 10–20 В. Регулируя натяжение пружин 4, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием с давлением 100 торр (то же, что 1 мм рт. ст.). Эффективность испарения графита в установке может достигать 10 г/В. При этом поверхность медного корпуса 3, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, то есть графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, получится темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе образуется мелкодисперсный порошок. Его масса составляет не более 10 % массы исходной графитовой сажи. В порошке содержится до 10 % фуллеренов С60 (90 %) и С70 (10 %). Этот метод получил название «фуллереновая дуга».

В описанном способе гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно «гасят» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия поглощают энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыты показывают, что оптимальное давление гелия составляет 100 торр. При более высоком давлении агрегация фрагментов углерода затрудняется.

Для получения углеродных нанотрубок в настоящее время разработана более совершенная технология — синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами в атмосфере гелия. Типовая схема электродуговой установки для изготовления наноматериалов, содержащих как нанотрубки и фуллерены, так и другие углеродные образования (например, конусы), показана на рис. 25.

При данном способе дуговой разряд возникает и поддерживается в камере с охлаждаемыми водой стенками при давлении буферного газа (гелия или аргона) порядка 500 торр. Обычно межэлектродное расстояние, устанавливаемое автоматически, составляет 1–2 мм. Для получения максимального количества нанотрубок ток дуги должен составлять 65–75 А, напряжение — 20–22 В, а температура электронной плазмы — порядка 4000 К. В этих условиях графитовый анод интенсивно испаряется, поставляя отдельные атомы или пары атомов углерода внутрь камеры. Из этих паров на катоде или на охлажденных водой стенках формируются различные углеродные наноструктуры.

Рис. 25. Схема установки для получения нанотрубок электродуговым методом

В большинстве случаев на катоде формируется твердый осадок макроскопического размера (в виде плоского пятна диаметром 11–12 мм и толщиной до 1,0–1,5 мм). Он состоит из наносвязок — нитей длиной 1–3 мкм и диаметром 20–60 нм, содержащих 100–150 однослойных или многослойных нанотрубок, уложенных в гексагональную упаковку. Такие связки напоминают связки круглых бревен, которые перевозят на лесовозах, или плоские плоты на лесосплаве. Нити наносвязок и отдельные нанотрубки часто образуют беспорядочную (а иногда и упорядоченную) сеть, похожую на паутину. Пространство этой паутины заполнено другими компонентами частиц углерода. Поскольку электронная плазма дуги неоднородна, не весь графит идет на строительство нанотрубок. Из большей части графитового анода образуются различные наночастицы или даже аморфный углерод, которые можно назвать общим словом «сажа».

Чтобы освободиться от других углеродных образований, осадок подвергают ультразвуковой обработке в какой-либо жидкости: этаноле, толуоле, дихлорэтане, бензоле или иных неполярных растворителях. В результате диспергирования можно получить как отдельные нанотрубки, так и нерасщепленные наносвязки (в основном, C60 и C70) с выходом до 10 % по массе. Для отделения сажи раствор после диспергирования заливают в центрифугу. То, что остается в жидкости, и есть раствор, содержащий нанотрубки или наносвязки, которые используют для исследований и практического применения.

Считается, что при образовании фуллеренов сначала формируются жидкие кластеры углерода, а затем эти кластеры кристаллизуются в фуллерены с испусканием свободных атомов и микрокластеров. Однако имеются и другие способы образования фуллеренов (например, посредством отжига углеродных кластеров). Эти способы, в отличие от различных моделей «сборки» фуллеренов, не предусматривают определенной структуры кластеров — предшественников фуллеренов.

При абляции (испарении) графита углеродные кластеры образуются в результате конгломерации атомов и микрокластеров, состоящих из нескольких атомов, что подтверждается расчетами. Образование кластеров в парах углерода может происходить как гомогенная нуклеация (образование зародышей жидкой фазы в метастабильном пересыщенном паре) или как спиноидальный распад (разделение на фазы вещества, находящегося в термодинамически нестабильном состоянии).

Другая возможность эффективного образования больших углеродных кластеров — конгломерация нескольких кластеров, состоящих из десятков атомов. Такой процесс происходит, например, при абляции высших оксидов углерода. Масс-спектр углеродных кластеров, полученных при абляции сажи, указывает на возможность сосуществования этих двух путей образования больших углеродных кластеров: масс-спектр имеет два максимума в распределении фуллеренов. Первый максимум (n = 154) соответствует конгломерации атомов и микрокластеров, второй (n = 450–500) — конгломерации кластеров, содержащих десятки атомов. Фуллерены образуются также из изначально больших кластеров, испаренных из материала, в состав которого входит углерод. Это происходит, например, при испарении мелкодисперсной графитовой фольги или вторичной лазерной абляции того же участка поверхности графита.

Если для получения чистого С60 в макроколичествах достаточно использовать электродуговой разрядник, то получение высших фуллеренов требует сложной и дорогостоящей процедуры экстракции, основанной на жидкостной хроматографии. Этот способ позволяет не только отделить, но и накопить редко встречающиеся фуллерены С76, С84, С90 и С94. Данные процессы идут параллельно получению С60, отделение которого позволяет обогатить смесь высшими фуллеренами.

Например, при использовании угольного конденсата, полученного путем термического испарения графитового электрода под действием электрической дуги, чистый С60 выделяется при обработке смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5. Это приводит к вымыванию и последующему выделению чистого фуллерена С60. Увеличение в растворе содержания толуола до 50 % позволяет выделить чистый фуллерен С70 (рис. 26), а дальнейшее увеличение выделяет четыре желтоватые фракции. При повторном хроматографировании этих фракций на алюминиевой поверхности получаются достаточно чистые фуллерены С76, С84, С90 и С94. Обработка первой из указанных фракций, адсорбированной на алюминиевой поверхности, смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5 приводит к полному растворению молекул С70 в смеси. Оставшийся желтоватый конденсат практически полностью состоит из молекул С76, что подтверждается данными жидкостного хроматографического анализа.

Существенные достижения в технологии получения нанотрубок связаны с использованием процесса каталитического разложения углеводородов. На рис. 27 изображена простейшая схема установки для такого процесса.

Рис. 26. Получение из фуллерена С60 фуллерена Суо (более темным цветом выделен добавленный пояс шестиугольников)

В качестве катализатора используется мелкодисперсный металлический порошок, который засыпают в керамический тигель 3, расположенный в кварцевой трубке 1. Последнюю помещают в нагревательное устройство (печь) 2, позволяющее поддерживать температуру в интервале от 700 до 1000 °C. Через кварцевую трубку продувают смесь газообразного углеводорода и буферного газа 4, например атомарного азота.

Рис. 27. Схема установки для получения нанотрубок методом химического осаждения: 1 — кварцевая труба; 2 — печь; 3 — тигель с катализатором; 4 — поток буферного газа

Типичной является смесь, в которой соотношение соединения C2H2 к N2 составляет 1:10. Процесс может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. На поверхности катализатора вырастают длинные углеродные нити, многослойные нанотрубки длиной до нескольких десятков микрометров с внутренним диаметром от 10 нм и внешним диаметром 100 нм. Имеются также металлические частицы, покрытые многослойной графитовой оболочкой. В этом процессе трудно получить однородные нанотрубки, поскольку каталитический порошок — слишком неоднородная среда.

В результате многочисленных исследований был найден оптимальный вариант: подложка для выращивания нанотрубок должна быть пористой, с высокой степенью однородности пор, заполненных частицами металлического катализатора. Если размеры частиц и пор совпадают, диаметр вырастающих трубок оказывается практически таким же. Если глубина пор и их поверхностная плотность достаточны, трубки вырастают строго перпендикулярно поверхности подложки и оказываются в высокой степени однородными.

Таким образом, проблема сводится к приготовлению подложки, поверхность которой была бы пронизана многочисленными глубокими однородными порами. На их дне должен располагаться металлический катализатор — «основа» для начальной стадии роста трубки. Катализаторами обычно выступают железо, никель и кобальт.

В России производством коммерческих партий наночастиц занимается ряд известных научно-исследовательских центров (табл. 7).

Таблица 7. Некоторые российские производители наноматериалов

Несмотря на очевидные успехи хроматографической технологии сепарации и очистки фуллеренов и нанотрубок, проблема получения высших фуллеренов в количествах, достаточных для полного и всестороннего исследования их свойств в конденсированном состоянии, еще далека от решения. Производительность лучших хроматографических установок не превышает нескольких миллиграммов в час, а этого явно недостаточно для обеспечения исследований (тем более для промышленного использования). Стоимость высших фуллеренов на мировом рынке составляет тысячи долларов за грамм, что делает их труднодоступными для многих научных лабораторий.

Создание дендримеров — один из примеров технологии «снизу вверх», когда объемные конструкции создаются из блоков посредством последовательной сборки, аналогично детскому конструктору. При этом размер и форму конечной конструкции можно очень точно задать при химическом синтезе. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательную конвергентную и дивергентную полимеризацию (в том числе методы пептидного синтеза), чем обеспечивается конфигурация ветвления.

Классическим строительным материалом для синтеза (создания) дендримеров являются полиамидоамин и лизиновая аминокислота. При этом имеется практическая возможность для задания и контроля размера и свойств поверхности. Регулирование и получаемая стабильность свойств дендримеров открывают перспективы их использования в качестве переносчиков лекарственных и косметических средств.

Для этого дендримеры формируют в присутствии необходимого медикаментозного вещества. В результате «полезные молекулы» образуют комплексы с поверхностью дендримера или, встраиваясь между полимерными цепями, заполняют многочисленные имеющиеся полости. Синтезированный таким способом дендример становится лекарственной нанокапсулой, способной к транспортировке данного препарата внутри живого организма. Заполнив полость дендримера веществом с радиоактивной или иной меткой, полученные нанокапсулы можно использовать в качестве диагностического средства при клинических исследованиях и лечении различных заболеваний.

Несколько слов стоит сказать о квантовых точках. Известны два основных способа их получения: коллоидный синтез, осуществляемый смешиванием предшественников в реакторе, и эпитаксия — ориентированное выращивание (копирование) кристаллов на поверхности подложки.

Коллоидный синтез может быть реализован при различных температурах и средах (в инертной атмосфере, в среде органических растворителей, в водном растворе и т. д.). Для повышения эффективности процесса часто используются металлоорганические предшественники или молекулярные кластеры, облегчающие «зародышеобразование» квантовых точек.

Наиболее часто применяют высокотемпературный химический синтез, осуществляемый в инертной атмосфере путем нагревания неорганометаллических предшественников, растворенных в высококипящих органических растворителях. Для этого на ядре (атомарной заготовке) из узкозонного полупроводника (например, CdSe) вначале осаждается оболочка из широкозонного полупроводника (например, ZnS), а затем на поверхности формируется защитная органическая оболочка из адсорбированных органических молекул.

В результате получаются нанокристаллы с поверхностью, защищенной слоем адсорбированных поверхностно-активных органических молекул. Этот метод (коллоидный синтез) обеспечивает получение стабильных по размеру и свойствам (высоким квантовым выходом флуоресценции) квантовых точек. Из-за наличия защитной гидрофобной органической оболочки коллоидные квантовые точки легко растворяются в неполярных растворителях (а при определенной ее модификации — в спиртах и воде).

Данная технология позволяет получать квантовые точки в субкилограммовых объемах, что делает ее привлекательной для их массового производства.

Метод эпитаксии — формирование наноструктур на поверхности другого материала (подложке) — требует уникального дорогостоящего оборудования. При этом получаемые квантовые точки связаны с подложкой и нуждаются в технологии отделения или использования вместе с подложкой. В связи с этим данный метод плохо реализуется на промышленном уровне.

По сообщениям сайта нанотехнологического сообщества России «Нанометр» (http://www.nanometer.ru), в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе в августе 2009 года был закончен монтаж уникального двухреакторного ростового комплекса молекулярно-пучковой эпитаксии STE3526 (рис. 28).

Двухреакторный комплекс STE3526 разработан и создан отечественным предприятием ЗАО «Научное и технологическое оборудование» специально для выращивания гибридных наногетероструктур с учетом последних достижений в области молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводников в данных системах материалов.

Установка STE3526 предназначена для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований, опытно-конструкторских работ и мелкосерийного экспериментального производства эпитаксиальных наноструктур на основе широкозонных материалов (типа Cd(Zn)Se/ZnMgSSe) с использованием предварительно выращенных в реакторе высококачественных буферных слоев GaAs. Данный комплекс обеспечивает ультра-чистый сверх-высоковакуумный (защита от неконтролируемого загрязнения ростового интерфейса на поверхности буферного слоя GaAs) транспорт подготовленной подложки в реактор для выращивания конечных гетероструктур.

Рис. 28. Двухреакторный ростовый комплекс молекулярно-пучковой эпитаксии STE3526

Следует отметить, что число фирм-производителей различных наноматериалов постоянно растет. При этом совершенствуется не только процесс получения и очистки наноматериалов, но и значительно повышается их качество, что позволяет находить новые сферы применения подобных материалов.

Методы исследования наноструктур

Случайные открытия делают только подготовленные умы.

Блез Паскаль, французский математик, физик, литератор и философ

Исследования в области нанотехнологий требуют тесной межотраслевой и междисциплинарной кооперации, а также постоянного обмена результатами научных исследований и практических достижений, поскольку в данной области тесно переплетаются вопросы и интересы физики, химии и биологии, которые дополняют и обогащают друг друга.

Для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне, как правило, применяют методы квантовой физики.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — один из важнейших современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Однако применительно к наночастицам термин «микроскопия» не отражает сущности процесса, и следует говорить о «наноскопии».

В настоящее время создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов — приборов, в которых исследуемая поверхность сканируется специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомный силовой микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и другими способами. Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими метрологическими инструментами XXI века.

Внешний вид сканирующего зондового микроскопа (нанолаборатории) Ntegra Spectra производства российской фирмы ЗАО «НТ-МДТ» представлен на рис. 29, а типовая схема осуществления СЗМ — на рис. 30.

Рис. 29. Внешний вид сканирующего зондового микроскопа Ntegra Spectra

Рис. 30. Типовая схема осуществления СЗМ: I — программное обеспечение компьютера; II — контроллер; 1 — станина; 2 — трехкоординатный автоматический столик; 3 — исследуемая поверхность; 4 — зонд; 5 — датчик положения зонда; 6 — пространственный пьезодатчик

Упрощенно можно представить, что в сканирующем туннельном микроскопе роль оптического устройства играет тончайшее металлическое (как правило, вольфрамовое) острие, или зонд 4 (рис. 31), кончик которого может представлять собой единственный атом и иметь размер в поперечнике около 0,2 нм. Пространственные пьезоэлектрические устройства (датчики) 6 прибора имеют возможность устанавливать зонд на расстоянии 1–2 нм от исследуемой поверхности 3 электропроводящего объекта.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца. Когда зонд сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) оказывается на расстоянии около 10 А от поверхности, что эквивалентно размеру нескольких атомов (~0,5–1,0 нм), между зондом и образцом устанавливается рабочее напряжение, и электронные облака на конце зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются. В результате электроны «перескакивают» через зазор. Другими словами, электрический ток из образца начинает проходить через промежуток в иглу (или наоборот — в зависимости от знака напряжения, хотя непосредственного контакта между зондом и поверхностью в привычном понимании нет). Нормальные значения этого тока находятся в пределах 1-1000 пА при расстояниях около 1 А от поверхности образца. Величина тока чрезвычайно чувствительна к размеру зазора и обычно при его увеличении на 0,1 нм уменьшается в 10 раз.

Рис. 31. Игла кантилевера (www.niifp.rurus_vercantilevers_rus.html)

Электрический ток протекает благодаря так называемому туннельному эффекту, из-за которого получил свое название микроскоп. Как уже отмечалось, феномен заключается в том, что электрон может преодолеть энергетический (то есть потенциальный) барьер, образованный разрывом электрической цепи — небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца, даже не обладая достаточной энергией, то есть он «туннелирует» сквозь эту преграду (рис. 32).

Возникающий в результате «туннельный ток» изменяется в зависимости от зазора между зондом и образцом по экспоненциальному виду. Сила туннельного тока остается стабильной за счет действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии. Сила протекающего тока измеряется регистрирующим устройством, что позволяет оценить расстояние между зондом и поверхностью образца (ширину туннельного перехода), сканирование которого производится последовательно, атом за атомом, давая высокоточную картину поверхности исследуемого материала.

Рис. 32. Переход (туннелирование) электрона с кинетической энергией E через потенциальный барьер с энергией U (при этом U > E)

Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр почти так же, как в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растра располагаются на расстоянии долей нанометра друг от друга. Если бы кончик зонда не повторял профиль поверхности, туннельный ток менялся бы в очень широких пределах, увеличиваясь в моменты прохождения зонда над выпуклостями (например, над атомами на поверхности) и уменьшаясь до ничтожно малых значений при прохождении зазоров между атомами. Однако зонд заставляют двигаться верх и вниз в соответствии с рельефом. Осуществляется это с помощью механизма обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору, перемещающему зонд перпендикулярно поверхности, чтобы величина туннельного тока не менялась (то есть зазор между зондом и объектом оставался постоянным). Показания регистрирующего устройства фиксируются, и на их основе строится карта высот нанорельефа исследуемой поверхности.

Изображение нанорельефа поверхности в СТМ формируется двумя путями (рис. 33). По методу постоянного туннельного тока зонд 1 перемещается вдоль поверхности 2, осуществляя растровое сканирование. При этом изменение напряжения на z-электроде пьезоэлемента 3 в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде зависимости z = f (x,y), а затем воспроизводится с помощью специального программного обеспечения средствами компьютерной графики. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение по нормали к поверхности достигает долей ангстрема, а латеральное разрешение (по ширине) зависит от качества зонда и определяется атомарной структурой кончика острия. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, ток в этом случае течет между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рис. 33. Схема работы сканирующего туннельного микроскопа: 1 — зонд; 2 — исследуемая поверхность; 3 — пьезодатчик

По изменениям напряжения на зонде компьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, то есть могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют 0,2 нм.

На использование данного метода накладывается ряд ограничений. Во-первых, электропроводимость образца — поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см2. Такое ограничение вытекает из самого принципа работы СТМ — для эффективного туннелирования электронов через зазор между поверхностью образца и чувствительным элементом прибора должно быть много свободных электронов (электронных состояний). Поэтому при изучении с помощью СТМ неэлектропроводных веществ необходимо покрывать их металлической пленкой или «привязывать» к их поверхности проводник, например слой золота.

Во-вторых, глубина исследуемой канавки должна быть меньше ее ширины. В противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей нанорельефа и искажение его изображения.

Конечно, ограничений в применении СЗМ гораздо больше. Малейшие вибрации и шумы (даже вне лаборатории) могут нарушить точную настройку прибора и процесс сканирования поверхности. При этом существующая в настоящее время технология «заточки» иглы не гарантирует одного острия на ее конце, а это может привести к одновременному сканированию двух разновысоких выступов. За исключением условий глубокого вакуума, во всех остальных случаях на поверхностях имеются различные загрязнения, состоящие из частиц газа и пыли, осажденных из воздуха.

Существенное влияние на достоверность получаемых результатов оказывает механизм сближения. Если при сближении зонда и исследуемой поверхности не удается избежать непосредственного касания (микроудара) иглы о поверхность образца, то игла теряет необходимую толщину в один атом на кончике призмы.

Возможности сканирующего туннельного микроскопа выходят далеко за задачи микроскопических (точнее, наноскопических) наблюдений. При точном позиционировании зонда над конкретной молекулой и необходимом напряжении можно с его помощью «рассечь» молекулу на отдельные части, оторвав от нее несколько атомов, и исследовать их электронные свойства. Экспериментально установлено, что, прикладывая к зонду необходимое напряжение, можно заставить атомы притягиваться к острию зонда или отталкиваться от него, а также передвигаться вдоль поверхности.

Сканирующий туннельный микроскоп стал базовой моделью семейства более совершенных сканирующих микроскопов ближнего поля с зондами-остриями. Задача дальнейших разработок диктовалась стремлением избавиться от основного недостатка прототипа — необходимости электропроводности объектов, так как даже проводники и полупроводники часто покрыты изолирующим слоем оксидных пленок. Особенно это актуально для исследования полимерных и биологических материалов, большинство из которых также не являются электропроводными.

Создание под руководством Г. Биннига атомного силового микроскопа (АСМ) в 1986 году позволило не только рассматривать любые объекты, но и осуществлять необходимые взаимодействия с их поверхностью на наноуровне. Общий вид и зона измерительной головки сканирующего зондового микроскопа представлены на рис. 34.

Рис. 34. Общий вид и зона измерительной головки сканирующего зондового микроскопа Р47Н: 1 — устройство позиционирования с предметным столиком (позиционер); 2 — металлические стойки; 3 — виброзащитный подвес; 4 — измерительная сканирующая головка; 5 — блок подвода образца (привод); 6 — резиновый диск

Принцип действия АСМ основан на использовании сил межатомных связей вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около 1 А = 10-8 см) возникают силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Как известно, аналогичные силы действуют между любыми сближающимися телами. При работе АСМ такими телами служат сканируемая поверхность 3 и зонд в виде алмазной иглы 1, который плавно скользит над поверхностью образца (рис. 35). Фактически это та же игла, которая используется в сканирующем туннельном микроскопе. Электронное облако острия алмаза оказывает давление на электронные облака (электрон 2) отдельных атомов образца, порождая отталкивающую силу, которая меняется в соответствии с рельефом поверхности. Эта сила отклоняет кончик острия, а его перемещения регистрируются с помощью датчиков.

Рис. 35. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ): 1 — игла зонда; 2 — электрон; 3 — исследуемая поверхность

В качестве датчиков АСМ могут использоваться любые прецизионные измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные.

Наиболее распространенным зондовым датчиком атомно-силового взаимодействия является пружинный кантилевер с расположенным на его конце зондом.

Кантилевер представляет собой массивное прямоугольное основание с габаритными размерами примерно 1,5Х3,5Х0,5 мм и выступающей из него балкой (собственно кантилевером) шириной до 0,03 мм и длиной порядка 0,1–0,5 мм. Одна из сторон балки является зеркальной, что позволяет использовать оптическую систему, контролирующую изгиб кантилевера. На противоположном свободном конце балки находится игла, взаимодействующая с измеряемым образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов составляет 5-50 нм, лабораторных — от 1 нм. Как правило, вся конструкция, за исключением, быть может, иглы, — это кремниевый монокристалл.

Механизм обратной связи реагирует на изменения оптического хода луча и воздействует на пьезоэлектрический преобразователь, регулирующий высоту, на которой находится образец, так что отклонение держателя остается постоянным.

В АСМ сканирование исследуемой поверхности происходит по «поверхности постоянной силы», тогда как в СТМ — по «поверхности постоянного туннельного тока». Принципы же прецизионного управления, основанного на обратной связи и улавливающего наноскопические изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практически одинаковы.

Атомно-силовой датчик (рис. 36) представляет собой чувствительный зонд в виде иглы 1 , позволяющий регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Во время сканирования образца зонд перемещается вдоль поверхности 2 , при этом напряжение на z-электроде сканера 3 регистрируется с помощью луча лазера 4 и записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения рельефа поверхности любых веществ (проводящих и не проводящих ток, а также полупроводников) на наноуровне. С его помощью наблюдают всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например дислокации или заряженные дефекты, а также примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков (в частности, доменов) в кристалле. Он также служит для определения структур физического вакуума, литографии и других прикладных задач.

Рис. 36. Схема лазерного атомного силового микроскопа: 1 — игла зонда; 2 — исследуемая поверхность; 3 — приемное устройство лазера; 4 — лазер

На первых АСМ давление острия (массой около 1/106 г) было достаточно высоким и значительно искажало форму многих биологических молекул, раздавливало их или смещало из зоны сканирования. Давление увеличивалось из-за наличия тонких пленок воды и загрязнений, неизбежно накапливавшихся как на кончике острия, так и на поверхности исследуемого образца.

При разработке нового семейства сканирующих микроскопов с зондами-остриями давление зонда на поверхность удалось снизить в 10 раз. К таким устройствам относится ближнепольный оптический лазерный силовой микроскоп (рис. 37).

Рис. 37. Схема работы ближнепольного оптического лазерного силового микроскопа: 1 — луч лазера; 2 — исследуемая поверхность; 3 — капля воды

Исследование образца 2 осуществляется внутри капли воды 3, где находится и острие сканера. Нагрузка, которую позволяет отслеживать этот микроскоп, — это малая сила притяжения между исследуемой поверхностью и зондом (кремниевым или вольфрамовым), находящимся от нее на расстоянии от 2 до 20 нм. Она складывается из силы поверхностного натяжения воды в зазоре и слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Притягивающая сила очень мала — в 1000 раз меньше межатомного отталкивания в атомных силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует с частотой, близкой к резонансной. Лазерно-силовой микроскоп регистрирует силу межатомного взаимодействия по ее воздействию на динамику вибрирующего зонда.

Амплитуда измеряется с помощью сенсорного устройства на базе лазера. Для этого используется уже знакомый нам принцип микроскопии — интерферометрия. Лазерный луч расщепляется на два: луч сравнения, который отражается от стационарного зеркала или призмы, и зондирующий луч, отражаемый от обратной стороны острия. Два луча складываются и интерферируют, порождая сигнал, фаза которого чувствительна к изменению длины пути, пройденного зондирующим лучом. Таким образом, интерферометр с помощью луча лазера измеряет вибрации кончика острия (амплитудой до 10-5 нм). Рассмотренный принцип позволяет лазерно-силовому микроскопу регистрировать малые неровности рельефа величиной до 5 нм (до 25 атомных слоев).

Оптическая регистрация движения острия обеспечивает более надежное измерение зазора, чем обратная связь по туннельному току, и более мягкое (но плотное) прикосновение острия.

В настоящее время с помощью АСМ ученые начали достаточно эффективно исследовать различные биологические объекты, например вирусы, гены (особенно молекулы ДНК) и другие макромолекулы в рамках нового, но интенсивно развивающегося и перспективного научного направления — биомолекулярной нанотехнологии. Удалось даже зарегистрировать молекулярный процесс в его развитии — полимеризацию белка фибрина, основного компонента свернувшейся крови.

Бельгийские (Католический университет г. Лувена, Университет г. Льежа) и итальянские (Университет г. Болоньи) химики разработали методику, позволяющую с помощью атомного силового микроскопа переносить на подложку отдельные органические молекулы. Для эксперимента, который проводился при комнатной температуре, были использованы длинные полимерные молекулы в форме цепочек, которые удерживались на игле АСМ, покрытой слоем золота, за счет хемосорбции. Поверхностная плотность молекул на игле составляла менее 100 нм2. При сближении иглы с кремниевой подложкой, покрытой специальным органическим веществом с химически активными группами NH2, возникала ковалентная связь между цепочкой и подложкой. Эта связь оказывалась прочнее, чем связь «углерод-золото», за счет которой цепочка держалась на игле АСМ. Поэтому при удалении иглы от подложки цепочка отрывалась и оставалась на подложке.

Сила, действующая на иглу со стороны цепочки в момент ее отрыва, составляет F » 1 нН. Она возрастает до F » 2,5 нН, если игла покрыта слоем SiN. Результаты этого исследования свидетельствуют о принципиальной возможности осуществления химических реакций между всего несколькими молекулами, доставленными иглой АСМ в заданную область поверхности.

Однако и эта конструкция АСМ может привести к загрязнению или даже повреждению объекта. Разработчики во всем мире продолжают исследования и поиск более совершенных конструкций и технических решений в области силовых сканирующих устройств. Так, в магнитно-силовом микроскопе вместо немагнитного вольфрамового или кремниевого острия используется намагниченный никелевый или железный зонд. Когда вибрирующий зонд подводится к исследуемому образцу-магнетику, то сила, воздействующая на кончик острия, изменяет его резонансную частоту и, следовательно, амплитуду колебаний. Такой лазерно-силовой микроскоп позволяет исследовать магнитное поле с разрешением выше 25 нм. С его помощью изучают структуру магнитных битов информации на дисках и других магнитных носителях путем непосредственного контроля качества считывающей головки и запоминающей среды.

В электростатическом силовом микроскопе вибрирующий зонд имеет электрический заряд, а амплитуда его вибраций зависит от электростатических сил, возникающих в результате взаимодействия с зарядами на поверхности образца. С помощью такого микроскопа можно выявлять картину электрофизических свойств различных материалов — концентрацию и распределение легирующих элементов в полупроводниках (например, в кремнии), которые применяются для изменения соотношения между концентрациями подвижных отрицательных (электронов) и положительных носителей заряда (дырок).

Методами локальных измерений электросопротивления и спектров рамановского рассеяния учеными обнаружены фазовые переходы в GaAs, Ge, Si, SiC, кварце, алмазе и др., индуцированные высоким давлением в зоне деформации под индентором. Например, в кремнии наблюдаются до пяти фаз высокого давления и аморфизация исходной монокристаллической структуры. Для этого к зазору между зондом электростатического силового микроскопа и исследуемой поверхностью прикладывается напряжение, которое смещает электроны или дырки под зондом, оставляя там заряженную область, электростатически взаимодействующую с острием. Последовательные перемещения острия зонда позволяют точно и с высоким разрешением измерить величину заряда, а следовательно, и количество смещенных электронов, соответствующее концентрации легирующих атомов.

Зонд растрового термического микроскопа является, по-видимому, самым малым в мире термометром: он позволяет измерять поверхностные изменения температуры в десятитысячную долю градуса на длине в несколько десятков нанометров. Зонд представляет собой вольфрамовую проволочку диаметром до 30 нм, покрытую никелем, который везде, кроме самой вершины, отделен от вольфрама слоем диэлектрика. Такой вольфрамо-никелевый зонд работает как термопара, генерируя напряжение, пропорциональное температуре окружающей среды. Когда нагретый кончик зонда приближают к исследуемому (твердотельному) образцу, являющемуся лучшим проводником теплоты, чем воздух, теплопотери кончика острия возрастают. Он охлаждается, и термоЭДС термопары уменьшается пропорционально изменению размера зазора. И наоборот, когда зонд удаляется от образца, термоЭДС увеличивается. Таким образом, потери теплоты выявляют топографию исследуемой поверхности аналогично туннельному току или силам межатомного отталкивания в микроскопах ближнего поля. Растровый термический микроскоп применяют для картографирования температуры в живых клетках или измерения практически незаметных скоростей истечения потоков жидкости или газа.

В основе нового метода — протонной микроскопии, или протонной радиографии, — лежит так называемый эффект теней. В одном из вариантов кристаллический образец «облучают» параллельным пучком протонов, высокая энергия которых (5001000 кэВ) позволяет им достаточно близко приблизиться к ядрам атомов, составляющих кристаллическую решетку исследуемого образца. Рассеиваясь на ядрах в различных направлениях, протоны «движутся» сквозь кристалл, частично проходят его и засвечивают расположенную с «освещаемой» стороны образца фотопластинку, где образуется специфическая сетка ярких линий с пятнами разных размеров. Она напоминает картины дифракции электронов или рентгеновских лучей на кристаллах. Однако подобие это чисто внешнее, поскольку принципиально различны механизмы их получения. В отличие от первых двух методов, происходит не волновое, а корпускулярное взаимодействие протонов и ядер.

По протонограмме можно определить тип структуры кристалла, кристаллографическую ориентацию, углы между кристаллографическими осями. Ее вид чрезвычайно чувствителен к малейшим деформациям кристаллической решетки. Протоно-грамма также регистрирует точечные дефекты. Важное ее преимущество — возможность послойного анализа микроструктуры кристаллических образцов без их разрушения, так как, повышая энергию протонов, можно проникать во все более глубокие слои исследуемой поверхности, не ухудшая при этом способность наблюдать отдельные атомы.

Различные АСМ позволяют решать не только прикладные задачи, но и ряд глобальных проблем фундаментальной науки. Например, изучив с помощью АСМ поведение межатомных сил и константы взаимодействий между атомами поверхности и острия, можно сделать достаточно точные выводы о существовании или отсутствии новых фундаментальных взаимодействий и даже о структуре физического вакуума.

В настоящее время выпуск коммерческих нанотестеров осуществляют такие известные мировые производители, как MTS, Hysitron, Micro Photonics, CSM Instruments, а также ряд отечественных фирм (NT-MDT Co., ЗАО «Наноиндустрия» и др.). Такие нанотестеры обладают разрешением около 1 нН в канале измерения силы, а по перемещению — значительно лучше 1 нм. Многие принципиальные и конструктивные решения в нанотестерах близки к зондовой сканирующей микроскопии, и некоторые производители объединяют оба типа в одном комбинированном приборе. Это позволяет не только визуализировать микротопографию поверхности, но и исследовать более десятка механических характеристик материала в приповерхностных слоях, покрытиях и пленках толщиной от единиц нанометров до нескольких микрометров, то есть перейти от двухмерного к трехмерному анализу.

Например, сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) марки NanoEducator позволяет реализовать возможности двух основных модификаций сканирующего зондового микроскопа: сканирующий туннельный микроскоп и атомный силовой микроскоп. Он может использоваться не только в учебных, но и в научных целях при исследованиях в области физики и технологии микро-и наноструктур, материаловедения, катализа, физики и химии полимеров, биофизики и др.

Универсальный зондовый датчик установки, изготовляемый из вольфрамовой проволоки, имеет возможность восстановления острия при износе или повреждении кончика зонда.

Для восстановления острия зондов используется специальное устройство травления (УТИ), позволяющее методом электрохимического травления получать зонды с радиусом закругления до 0,2 мкм.

Наличие методик АСМ и СТМ позволяет проводить исследования как проводящих, так и диэлектрических образцов:

• биологических объектов, включая ДНК;

• накопителей информации (CD, DVD и матриц для их изготовления);

• микро— и наноструктур поверхности;

• оптоэлектронных материалов и др.

Благодаря компактности оборудования, относительной доступности методов, а также отсутствию жестких требований к образцу и окружающей среде методы применения наноинденторов при СЗМ получают все более широкое распространение. Они позволяют приблизиться к условиям, возникающим в реальных микро— и наноконтактах, и смоделировать контролируемые условия элементарных нанопроцессов в исследуемых поверхностях, нано— и микрообъектах.

Следует отметить, что отечественное нанотехнологическое оборудование (например, от группы компаний НТ-МДТ) не только не уступает зарубежным аналогам, но и в ряде случаев превосходит его. В 2009 году автоматизированный зондовый микроскоп SOLVER Next (рис. 38) был удостоен престижной международной премии R&D 100 Award от американского журнала Research & Development Magazine.

Коммерческий сканирующий микроскоп SOLVER Next отличается от конкурентов мощным контроллером последнего поколения, который вместе с уникальными алгоритмами программного обеспечения обеспечивает высокую скорость сканирования (обработки данных) — до 40 Гц.

Премия R&D 100 Award в разные годы присуждалась таким устройствам, как галогенная лампа (1974), факс-машина (1975), ЖК-дисплей (1980), принтер (1986), телевидение высокого разрешения (1998) и др. В 2006 году ее удостоилась еще одна разработка ЗАО «НТ-МДТ» — нанолаборатория Ntegra Spectra (как самая перспективная технологическая разработка).

Рис. 38. Зондовый микроскоп SOLVER Next — победитель американского конкурса R&D 100 Award

Установка Ntegra Spectra — это комбинация (интеграция) СЗМ с конфокальной микроскопией/спектроскопией люминесценции и комбинационного рассеяния, позволяющая получать изображения с разрешением в плоскости до 50 нм.

Нанолаборатория имеет возможность работы в режиме регистрации пространственного трехмерного распределения спектров люминесценции и комбинационного рассеяния света, а также в режимах наноиндентации, наноманипуляции и нанолитографии.

Поставщиком кантилеверов для СЗМ-микроскопов фирмы ЗАО «НТ-МДТ» является также отечественное предприятие ФГУП «Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф. В. Лукина» — один из ведущих институтов отечественной микроэлектроники, разработчик и производитель многих микромеханических электронных компонентов для сканирующей зондовой микроскопии.

Отдельное направление исследований составляют методы, при которых зонд сканирующего микроскопа является наноиндентором. С его помощью исследуемые поверхности подвергаются многократной нагрузке одной и той же области или нанесению наноцарапин. При этом можно моделировать процессы износа и усталости в приповерхностных слоях, изучать фазовые переходы, индуцированные высоким гидростатическим давлением под индентором, характеристики материала, зависящие от времени, а также коэффициенты скоростной чувствительности механических свойств на стадии погружения и вязкоупругого восстановления отпечатка после снятия разгрузки.

Данными методами можно оценивать пористость материалов, величину и распределение внутренних напряжений, толщину и механические свойства тонких слоев и покрытий, исследовать структуру многофазных материалов, определять модули упругости, скорость звука, анизотропию механических свойств и т. д.

Обычно, кроме нанотвердости, определяют степень адгезии, модуль Юнга, плотность, однородность. К настоящему времени рекордными, по-видимому, являются измерения, проведенные на пленках толщиной в единицы нанометров.

С помощью наноиндентора проводят также исследования электрических токов и химических реакций в малой области поверхности, расположенной близко к атомарному острию зонда. В перспективе такой способ повлечет за собой развитие наноэлектроники нового поколения (так называемой одноэлектроники, то есть приборов, управляемых одним электроном) и нанолитографии. Нанолитография — это высокоразрешающая технология локального химического модифицирования поверхности для получения сверхвысокой плотности элементов на кремниевой подложке, записи информации и т. п.

На практике достаточно распространен и часто применяется метод электронной оже-спектроскопии (Auger spectroscopy, AES). Электронная оже-спектроскопия — это раздел спектроскопии, изучающий энергетические спектры оже-электронов, которые названы в честь их первооткрывателя, французского физика Пьера Оже (Pierre Auger), и возникают при облучении исследуемого вещества электронным пучком. Спектры оже-электронов широко используются для определения элементного состава газов и поверхности твердых тел, изучения электронного строения и химического состояния атомов в пробе.

Оже-эффект заключается в том, что под действием ионизирующего излучения на одном из внутренних электронных уровней (например, ^-уровне) атома образуется вакансия, на которую переходит электрон с более высокого уровня (например, L^-подуровня). Возникший при переходе электрона избыток энергии может привести к испусканию рентгеновского фотона (излучательный переход) или выбрасыванию еще одного электрона (безызлучательный переход). Этот электрон называют оже-электроном.

Оже-эффект наблюдается у всех элементов периодической системы, начиная с лития, причем вероятность его проявления для легких элементов достигает 0,99 и убывает с увеличением порядкового номера элемента. Спектры оже-электронов регистрируют с помощью оже-спектрометров, дающих возможность получать энергетические спектры в виде зависимостей N[E]-E и [dN(E)/dE]-E, где N(E) — выход (или интенсивность тока) оже-электронов, равный числу оже-электронов, испускаемых исследуемым объектом в единицу времени.

По спектрам оже-электронов проводится качественный и количественный элементный анализ пробы. Для этого пользуются спектрами в координатах [dN(E)/dE]-E, которые обеспечивают более высокую чувствительность и точность анализа. Элемент, присутствующий в пробе, идентифицируют по значению кинетической энергии Е оже-электронов, поскольку эта величина зависит только от энергии связи электронов на электронных уровнях и, следовательно, определяется природой атомов.

В настоящее время известно достаточно много эффективных методов исследования поверхностей и объектов на наноуровне.

Среди них не только рассмотренные выше способы в различном исполнении, которые основаны на регистрации электронов, например, дифракция электронов и полевые методы (полевая электронная и ионная спектроскопия), рентгеновская фотоэлектронная и ультрафиолетовая электронная спектроскопия и оже-спектроскопия, но и специфические методы, базирующиеся на дифракции рентгеновского синхротропного излучения, рентгеновская спектроскопия поглощения (EXAFS, XANS, NEXAFS), мессбауровская спектроскопия, методы ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса.

Только описание принципов исследования и специального оборудования может занять несколько больших книг, поэтому мы не будем утруждать читателя этой специальной информацией.

Основные свойства наноструктур

Multum in parvo (многое в малом).

Латинская пословица

Первым и самым главным признаком наночастиц, несомненно, является их геометрический размер — протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении. Именно с таких размеров может наблюдаться качественное изменение свойств наночастиц по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Например, нанонить паутины способна надежно удерживать огромных по сравнению с ее толщиной насекомых.

Именно размерными эффектами определяются многие уникальные свойства наночастиц и наноматериалов. Критический размер для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических, квантовых и др.) может варьироваться, как и характер изменений (равномерный или неравномерный). Например, электропроводность, область прозрачности, магнетизм и некоторые другие свойства начинают зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10–20 нм и менее (рис. 39).

Доля атомов в поверхностном слое (толщиной около 1 нм), естественно, растет с уменьшением размера частиц вещества. Поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от «внутренних» атомов, поскольку они связаны с соседями иначе, чем внутри вещества. В результате на поверхности велика вероятность протекания процессов атомной реконструкции, изменения структурного расположения атомов и их свойств.

Атомы, расположенные по краям моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, находятся в совершенно особых условиях.

Рис. 39. Изменение физико-химических характеристик материала (ФХХМ) в зависимости от размера структуры: 1 — с максимумом; 2 — с насыщением; 3 — с осциллирующим изменением свойств

Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния, именуемые уровнями Тамма. Все это заставляет рассматривать поверхность (или межфазную границу) как некое новое состояние вещества.

Работы русского физика Игоря Евгеньевича Тамма, удостоенного с коллегами Нобелевской премии по физике в 1958 году, были посвящены классической электродинамике, квантовой механике, теории твердого тела, физической оптике, ядерной физике, теории элементарных частиц, проблемам термоядерного синтеза. В 1930 году Тамм построил квантовую теорию рассеяния света в кристаллах, впервые произвел квантование акустических волн, введя понятие фононов — звуковых квантов.

Учитывая абсолютные размеры наночастиц с определенными допущениями, можно считать, что наночастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе. Например, нанотрубки имеют аномально высокую удельную плотность поверхности, поскольку вся их масса сосредоточена в поверхностном слое. Кроме того, расстояние между графитовыми слоями в многослойных системах (0,335 нм) оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде (например, молекулы водорода Н2) могли заполнять их межстенное пространство. Данное пространство (в совокупности с внутренними каналами и даже внешней поверхностью) образует уникальную емкость для хранения газообразных, жидких и даже твердых веществ.

Наполнение внутренней поверхности нанотрубок происходит в результате капиллярных явлений. Впервые капиллярные эффекты в нанотрубках были обнаружены во время эксперимента, при котором фуллереновую дугу, предназначенную для синтеза нанотрубок, зажигали между электродами диаметром 0,8 см и длиной 15 см при напряжении 30 В и силе тока 180–200 А. В результате термического разрушения поверхности графитового анода на катоде образовывался слой материала высотой 3–4 см, его извлекали из камеры и выдерживали в течение 5 ч при температуре 850 °C в потоке углекислого газа. Эта операция, в результате которой образец терял около 10 % массы, способствовала очистке образца от частиц аморфного графита и обнаружению в осадке нанотрубок. Центральную часть осадка, содержащего нанотрубки, помещали в этанол и обрабатывали ультразвуком. Диспергированный в хлороформе продукт окисления наносили на углеродную ленту с отверстиями для наблюдения с помощью электронного микроскопа. Трубки, не подвергавшиеся обработке, имели бесшовную структуру, головки правильной формы и диаметр от 0,8 до 10 нм. В результате окисления вершины около 10 % нанотрубок были повреждены, часть слоев вблизи них также была содрана.

Предназначенный для наблюдений образец, содержащий нанотрубки, заполняли в вакууме каплями расплавленного свинца, которые получали в результате облучения металлической поверхности электронным пучком. При этом на внешней поверхности нанотрубок наблюдались капельки свинца размером от 1 до 15 нм. Нанотрубки отжигали в воздухе при температуре 400 °C (выше температуры плавления свинца) в течение 30 мин. Как показали результаты наблюдений, выполненных с помощью электронного микроскопа, часть нанотрубок после отжига заполнялась твердым материалом. Аналогичный эффект заполнения нанотрубок наблюдался при облучении головок, открывающихся в результате отжига, мощным электронным пучком. При достаточно сильном облучении материал вблизи открытого конца трубки плавился и проникал внутрь. Наличие свинца внутри трубок было установлено методами рентгеновской дифракции и электронной спектроскопии. Диаметр самого тонкого образовавшегося свинцового провода составлял 1,5 нм.

Итак, с одной стороны, трубки могут служить сосудами для хранения агрессивных сред. С другой стороны, находящиеся внутри элементы модифицируют свойства самих трубок, позволяя создавать разнообразные гетероструктуры на их основе.

Одним из размерных параметров нанотрубок является так называемая хиральность — понятие, применяемое в химии и указывающее координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости в трубку должен совпадать с шестиугольником в начале координат.

Термин «хиральность» в 1884 году впервые сформулировал английский физик, один из основателей термодинамики и кинетической теории газов, Уильям Томсон (лорд Кельвин, William Thomson), но распространение этот термин получил после 1966 года, когда был введен в стереохимию швейцарским химиком-органиком хорватского происхождения Владимиром Прелогом (Vladimir Prelog).

Наиболее распространенным является представление трубки двумя целыми числами (n , m ). Сумма этих чисел равняется количеству шестиугольников, составляющих диаметр цилиндра. Угол ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки определяет проводимость, которой она будет обладать: металлической или полупроводниковой. В последнем случае ширина запрещенной зоны задается геометрическими параметрами: хиральностью (углом скручивания) и диаметром нанотрубки.

В зависимости от значений параметров (n, m) различают:

• прямые (ахиральные) нанотрубки;

• «кресло», или «зубчатые» нанотрубки — n = m;

• зигзагообразные нанотрубки — m = 0 или n = 0;

• спиральные (хиральные) нанотрубки.

Как уже отмечалось, углеродные нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Нанотрубки первого типа можно получить в виде одномерной структуры в результате свертывания графеновой поверхности (рис. 40).

Рис. 40. Заготовка графеновой плоскости для получения нанотрубки с хиральностью (n, m) = (4, 2)

Диаметр трубки и угол свертывания (или шаг свертывания) обычно характеризуются кристаллографическим аналогом элементарной ячейки для двухмерного графенового листа, из которого выкраивают единичный повторяющийся кусочек нанотрубки — «вектор свертывания» С = no1 + mo2, где а1 и а2 — базисные векторы графитовой гексагональной ячейки.

Свертывание производится так, чтобы начало и конец вектора С совместились. В пределе нехиральных случаев свертывание происходит по так называемой линии зигзаг (при m = 0) и «ковшик с ручкой» (другое название — «подлокотник кресла») при m = n. Эти направления на рис. 40 изображены пунктирными линиями. Вектор трансляции Т вдоль продольной оси нанотрубки перпендикулярен С, его величина показывает расстояние, на котором воспроизводится структура вдоль оси. Площадь свертывания, заключенная между Т и С (затемненная область), соответствует единичному участку нанотрубки, который многократно повторяется вдоль продольной оси.

Индексы хиральности (m, n) определяют диаметр D однослойной нанотрубки:

где do = 0,42 нм — расстояние между соседними атомами углерода в гексагональной сетке графитовой плоскости. Таким образом, зная D, можно найти хиральность (соотношение m и n).

Геометрия свертывания задает структуру нанотрубок — расстояние, силу связи между атомами. Расчеты электронной зонной структуры показывают, что именно индексы n и m определяют, какой будет электропроводимость системы — металлической или полупроводниковой. Металлические нанотрубки всегда проводят электрический ток даже при температуре абсолютного нуля, тогда как проводимость полупроводниковых трубок возрастает при нагревании.

В большинстве случаев минимальный диаметр трубки близок к 0,4 нм, что соответствует хиральностям (3, 3), (5, 0) и (4, 2), однако объекты такого диаметра наименее стабильны. Самой стабильной однослойной структурой является нанотрубка с индексами хиральности (10, 10), ее диаметр равен 1,36 нм.

Таким образом, появляется возможность создавать новые сверхпрочные композиционные конструкционные материалы, не изменяя химический состав компонентов, а регулируя размеры и формы частиц, составляющих вещество.

Первые же исследования показали, что нанотрубки обладают уникальными механическими свойствами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки достигает 70Х105 МПа. Для сравнения: у легированной стали он равняется 2,1Х105 МПа, а у наиболее упругого металла иттрия — 5,2Х105 МПа. Кроме того, однослойные нанотрубки имеют высокую (до 16 %) эластичность, то есть способность оказывать влияющей на них силе механическое сопротивление и принимать исходное состояние после ее снятия.

Наиболее типична для многослойных нанотрубок структура «русская матрешка» — в них трубки меньшего размера вложены в более крупные. Эксперименты сейчас достигли такого технического уровня, что с помощью специального манипулятора можно вытянуть внутренние слои, оставив внешние слои фиксированными (рис. 41).

Рис. 41. Исследование трибологических свойств нанотрубок: 1 — опытная нанотрубка; 2 — нанотрубка после удаления внешних слоев на вершине; 3 — нанотрубка с внутренними слоями, вытянутыми при помощи специального наноманипулятора; 4 — релаксация (возврат) внутренних слоев нанотрубки в исходное положение после снятия нагрузки

Нанотрубка удлиняется подобно телескопической антенне или удочке, приобретая коническую со ступеньками форму. Трубку укрепляют с одного конца и снимают с нее несколько слоев вблизи вершины, чтобы открыть кончик, за который можно «ухватиться». Затем к заостренному концу подводят манипулятор, двигая которым можно удлинять или укорачивать трубку, вытягивая внутренние слои из внешней оболочки. Если удалить манипулятор, вытянутая часть возвратится под действием сил притяжения Ван-дер-Ваальса, как пружина. Измерив время возвращения внутренних слоев после удаления манипулятора, определили силы статического (2,зх10-14 Н/атом) и динамического (1,5х10-14 Н/атом) трения одного слоя о другой.

Это указывает на уникальные трибологические свойства нанотрубок.

Таким образом, многослойная углеродная нанотрубка является великолепным цилиндрическим подшипником. Если внутреннюю часть оставить неподвижной, а внешнюю заставить вращаться, можно получить почти идеальный подшипник скольжения, в котором поверхность скольжения атомногладкая, а силы взаимодействия между поверхностями (силы Ван-дер-Ваальса) очень слабы. При этом статическая сила трения на единице площади оказывается равной всего лишь 60 Н см-2, а динамическая — 45 Н см-2. Как известно, коэффициент трения при скольжении — это отношение силы трения к силе нормального давления. Если предположить, что сила трения составляет 0,01 модуля сдвига, для многослойных трубок приблизительно равного 0,25Х105 МПа, то коэффициент трения получится 10-5 — на два порядка меньше, чем у лучших пар трения в макроскопических твердых телах. Следовательно, открывается возможность создать миниатюрные наноподшипники с пренебрежимо малыми силами трения, необходимые для наносистемной техники будущего (нанодрелей, наностанков и др.).

Кроме того, при высоких давлениях фуллерен С60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству C60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.

В ряде работ исследованы причины возникновения так называемого масштабного эффекта — роста твердости при низких и сверхнизких нагрузках внедрения (порядка мкН), которые приводят к образованию отпечатков глубиной несколько нанометров.

При усилиях ниже некоторых критических (зависящих от природы материала, температуры, формы индентора и т. д.) практически все материалы проявляют в контакте упругое поведение. Типичные значения критической неразрушающей глубины составляют обычно несколько десятков нанометров.

Нагрузки, при которых наблюдается наноконтактное взаимодействие, могут возникать при трении без смазочного материала (сухом трении), абразивном и эрозионном износе поверхности мелкими частичками, локальной приповерхностной усталости, фреттинг-коррозии и т. п.

Другое уникальное свойство наноструктур — квантовые эффекты и (в связи с этим) необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой (по крайней мере в одном направлении) ограничен и сравним с длиной электронной волны. В данных направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это значит, что соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, вызывая дополнительное квантование энергетических уровней. Данное явление получило название квантового ограничения.

Так, с одной стороны, есть трубки с хорошей электронной проводимостью (выше, чем проводимость у признанных электрических проводников, например меди и серебра), а с другой стороны, большинство трубок — это полупроводники с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно создать различные электронные приборы. В частности, появляется реальная перспектива разработки запоминающих устройств с плотностью записи до 1014 бит/см2.

Одно из самых замечательных свойств — связь между геометрической структурой нанотрубки и ее электронными характеристиками, которую можно предсказать на основе квантово-химических расчетов. Налицо возможность создания новых электронных приборов с рекордно малыми размерами. Еще одно достоинство нанотрубок связано с холодной эмиссией электронов, которая возникает при приложении электрического поля вдоль оси трубки. Напряженность поля в окрестности верхней части в сотни раз превышает напряженность, существующую в объеме, что приводит к аномально высоким значениям тока эмиссии при сравнительно низком внешнем напряжении и позволяет использовать нанотрубные макроскопические системы в качестве холодных эмиссионных катодов.

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах может сопровождаться интерференцией. Ее отличительная особенность состоит в том, что наличие заряда у электрона дает возможность управления им с помощью локального электростатического или электромагнитного поля, влияя на распространение электронных волн.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются.

По данным Nanotechweb, группой ученых из лабораторий IBM (США) и Университета Твенте (Нидерланды) при исследовании структуры дефектов нанотрубок выявлено, что углеродные нанотрубки могут излучать инфракрасное излучение. «Обнаруженная электролюминесценция локализована в области дефектов в регулярной структуре наноматериала, — заявил доктор Фаэдон Авурис (Phaedon Avouris). — Электрический ток возбуждает пары электрон — дырка в местах дефектов, что и приводит к излучению».

Доктор Авурис отмечает, что по интенсивности процесс излучения на несколько порядков превышает аналогичные процессы в балк-полупроводниках. Это, по его мнению, объясняется более сильным взаимодействием электронов и дырок, вызванным «одномерным» характером структуры нанотрубок.

Открытие униполярной люминесценции позволит определять микродефекты наноматериалов, в том числе и нанотрубок. Для более наглядного подтверждения эффекта фотолюминесценции доктор Авурис и его коллеги создали полевой транзистор на основе нанотрубки. Вход и выход устройства состоят из слоев палладия толщиной 20 нм и слоя титана толщиной 0,5 нм. Транзистор находится на подложке из полиметилметакрилата (PMMA), что создает диэлектрическую среду для работы транзистора.

«Механизм свечения нанотрубок в инфракрасном диапазоне схож с аналогичными явлениями в светоизлучающих макроскопических светодиодах, — отмечает Авурис. — Однако в нашем случае фотоэмиссия более интенсивна вследствие специфической морфологии нанотрубок. Есть еще одно важное отличие от макросветодиодов: нанотрубке не нужен допинг для формирования фотосистемы. Также нанотрубки излучают свет по всей своей длине, что довольно необычно».

Особый интерес представляют уникальные свойства квантовых точек, в частности оптические и фотолюминесцирующие эффекты, при которых поглощение фотона рождает электрон-дырочные пары, а взаимодействие электронов и вакансий приводит к флуоресценции (табл. 8). Квантовые точки обладают достаточно узким и симметричным пиком флуоресценции. В зависимости от размера и состава (типа) квантовых точек флуоресценция может наблюдаться не только в видимой части спектра, но и в ультрафиолетовой или инфракрасной области.

Так, квантовые точки ZnS, CdS и ZnSe флуоресцируют в ультрафиолетовой области, CdSe и CdTe — в видимой, а PbS, PbSe и PbTe — в ближней инфракрасной области (порядка 7003000 нм). Более того, квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от размера флуоресцируют разными цветами.

Таблица 8. Характеристики некоторых квантовых точек

При этом из указанных полупроводниковых соединений получают гетероструктуры, оптические характеристики которых отличаются от исходных свойств «материнских» соединений. Наиболее распространенной технологией является эпитаксия (наращивание) оболочки более широкозонного полупроводника (например, ZnS) на ядро из узкозонного (например, CdSe).

Указанные уникальные свойства, наряду с более высокой яркостью и лучшей фотостабильностью по сравнению с традиционными флуоресцирующими материалами, обеспечивают прекрасные возможности широкого использования квантовых точек в различных оптических и электронных устройствах будущего. Наиболее прогрессивными и многообещающими отраслями могут стать производство сверхминиатюрных светодиодов (возможно, дисплеев) и оптических сенсоров, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств, фотодетекторов в инфракрасной области, солнечных батарей, генераторов белого света, флуоресцирующих маркеров и фотосенсибилизаторов в медицине и многие-многие другие.

Несколько слов стоит сказать о различных свойствах аэрогелей, потенциально востребованных промышленностью.

В обычном состоянии аэрогели полупрозрачны, но за счет рассеяния видимого света (аналогично протекающему рассеянию земной атмосферы) на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отраженном свете и светло-желтыми в проходящем свете.

Наиболее распространены кварцевые аэрогели, которые при высокой гигроскопичности (возможности поглощения и удержания излишков влаги) являются хорошими теплоизоляторами. Они свободно пропускают видимый солнечный свет, но эффективно поглощают его инфракрасное (тепловое) излучение.

Кварцевый аэрогель обладает самой малой плотностью из всех известных в настоящее время твердых тел — 1,9 кг/м3, что всего в 1,5 раза выше плотности воздуха и в 500 раз ниже плотности воды. К тому же аэрогели обладают достаточно высокой температурой плавления — 1200 °C.

При чрезвычайно низкой теплопроводности (0,003 Вт/(м-К)), все эти свойства позволили уже сейчас успешно применять аэрогели в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов в строительных конструкциях.

Углеродные аэрогели состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом, и обладают электропроводностью. За счет этого, а также огромной площади внутренней поверхности (до 800 м2/г), они уже используются в изготовлении суперконденсаторов значительной емкости (104 Ф/г и 77 Ф/см3).

В отличие от кварцевых, углеродные аэрогели поглощают до 99,7 % падающего на них излучения (в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм), что делает их эффективными поглотителями солнечного света для применения в солнечных коллекторах.

Основные функциональные свойства различных материалов, которые можно улучшить за счет применения наноматериалов и нанотехнологий, представлены в табл. 9.

Таблица 9. Свойства материалов, улучшаемые за счет применения нанотехнологий и наноматериалов

Наночастицы обладают комплексом самых разных и уникальных свойств. Многие из них еще не полностью изучены, а некоторые, возможно, и не открыты. Эти свойства открывают перед человечеством огромный потенциал принципиального изменения современного состояния науки и техники и создают предпосылки к новой — третьей — технической революции, которая уже началась.

Прикладная нанотехнология

Термин «нанотехнология» обязан своим рождением научно-популярной литературе, его следует воспринимать как… завлекательный ярлык для привлечения инвестиций и общественного интереса.

Дональд Эйглер (Donald Eigler), научный сотрудник исследовательского центра IBM, США

Как ни парадоксально это звучит, но человечество с давних времен использовало наноматериалы. Именно наличием наночастиц теперь можно объяснить самые невероятные свойства материалов, изготавливаемых несколько веков назад и порой недоступных даже современной науке.

Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, содержала сферические металлические наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства.

Прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц серебра и золота в стеклянную матрицу. Из такого материала изготовлены знаменитые римские рубиновые кубки, содержащие семь частей серебра и три части золота (70 нм каждая). В отраженном свете эти кубки кажутся зелеными, а при подсветке сзади меняют цвет от темно-красного до светлозолотистого (в том числе Кубок Ликурга, IV век, Национальный Британский исторический музей; на стенах кубка изображены сцены из жизни великого законодателя).

Из аналогичного материала и по аналогичной технологии изготовлены витражи во многих католических соборах Италии, Франции, Германии. Эти витражи не только создавали особое состояние, подчеркивающее таинство общения с Господом, но и, как оказалось, выполняли важную антибактериологическую (гигиеническую) роль.

Пресс-служба Технологического института Квинсленда (Австралия) сообщает об удивительных исследованиях профессора Чжу Хуай Юна (Zhu Huai Yong). Установлено, что наночастицы золотой краски, применяемой в убранстве внутренних помещений церквей, при освещении солнечным светом являются катализатором разложения летучих органических веществ (volatile organic chemical, VOC), которые даже в очень небольших количествах чрезвычайно вредны для здоровья людей. Воздух, насыщенный запахами и потом прихожан, испарениями горящих свечей, различными патогенными бактериями, очищается под действием наночастиц золота. Вредные органические соединения распадаются с образованием безопасного углекислого газа и влаги.

При этом оказалось, что воздух в богатых приходах, где больше позолоченных предметов, был значительно чище, чем в обычных домах прихожан. Именно поэтому размещение госпиталей в церквях во время эпидемий оказалось полезным и эффективным средством, так как больные здесь выздоравливали чаще и быстрее.

«Веками люди создавали эти великолепные произведения искусства, даже не задумываясь, что сегодня их цветные витражи назовут «фотокаталитическими очистителями воздуха на основе наноструктурного золота», — отметил руководитель исследовательской группы.

Как утверждается, средневековые мастера, знавшие секрет получения золотого рубина, умерли, а вместе с ними оказался утрачен и этот секрет.

Технология была восстановлена в советское время отечественными химиками и мастерами при изготовлении «рубиновых» звезд Московского Кремля в 1937 году (рис. 42).

Однако кремлевские «рубиновые» звезды уже не содержат в себе «ни серебра, ни злата». Они изготовлены путем введения в обыкновенное стекло селена в комбинации с другими химическими соединениями, получившими название «селенового рубина». Звезды, созданные с применением селенового стекла, много дешевле золотых, но не уступают им по насыщенности и глубине цвета, а медные даже значительно превосходят (http://supercook.ru/glass-history-10.html).

Рис. 42. Кремлевская звезда с селеновыми рубинами: 1 — слой молочно-белого стекла; 2 — слой светло-красного стекла, окрашиваемого в рубиновый цвет; 3 — наночастицы селена (красителя)

Подсвеченные изнутри селеновые рубиновые звезды имеют очень красивую, яркую окраску. Чтобы звезды были красивого красного цвета днем, их сделали из светло-красного стекла и положили на слой молочно-белого стекла.

Селеновые стекла способны окрашиваться в различные оттенки (от желтого до темно-красного цвета) за счет изменения соотношения между количествами красителей. Оказалось, что аналогичные по цвету рубиновые стекла можно получать и при применении меди. При этом технология должна быть более точной и длительной.

При изготовлении (варке) стекла с небольшим количеством меди и олова необходимо, чтобы медь не соединялась с другими компонентами стекла, а находилась в виде мельчайших кристалликов металлической меди, равномерно распределенных по всей стеклянной массе. Частички меди настолько малы, что их присутствие в стекле ничем не обнаруживается.

Если это требование выполняется, то на первом этапе получают бесцветную заготовку, которую затем медленно нагревают до температуры 600–700 °C. При этом стекло начинает светиться красным, как драгоценный рубин.

Оказывается, что хотя стекло еще твердое, в нем уже возможно некоторое перемещение, вследствие которого частицы меди собираются вместе и выстраиваются в особую сетчатую структуру, уже не пропускающую свет, кроме красного спектра. Так получают медные рубины красного цвета.

В зависимости от применяемых металлов (их способности пропускать или поглощать лучи разной длины волны) объясняется окраска всех без исключения стекол.

Данная разработка, несомненно, является выдающимся технологическим достижением отечественных ученых и практиков. Аналогичными принципами руководствовались современные ученые при производстве квантовых точек, окрашивающих вещество в разные цвета.

В настоящее время наиболее значимые достижения прикладной нанотехнологии (рассматривает задачи и способы практического применения нанотехнологий для нужд человечества) находятся в сферах изготовления различных наноматериалов, электроники и медицины.

Все современные достижения практической нанотехнологии подразделяются на три группы: инкрементные, эволюционные и радикальные. Рассмотрим их более подробно.

Инкрементные нанотехнологии

Инкрементная нанотехнология подразумевает промышленное применение наноструктур, а также специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями, в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов.

Наибольшее развитие инкрементные нанотехнологии получили в области создания нанокомпозиционных конструкционных материалов с различными свойствами, нанодисперсных (ультрадисперсных) порошковых материалов (в том числе фуллеренов, углеродных нанотрубок и др.), защитных самоочищающихся покрытий, препаратов автохимии и некоторых других.

Так, в Институте прикладной нанотехнологии (г. Зеленоград) разработана технология модифицирования наночастиц монтмориллонита (бентонита) в натриевой форме в Ag-форму. В меж-слоевое пространство бентонита вводится серебро в ионной форме. При контакте с продуктами жизнедеятельности человека, содержащими натрий, калий и пр., происходит обмен ионов указанных элементов на ионы серебра, которые длительное время сохраняют бактерицидное действие. Такими наночастицами обрабатывают поверхности силикона, ПВХ и тканей, используемых в производстве экзопротезов. На Международной выставке по изобретениям в Женеве в апреле 2006 года данная разработка была удостоена золотой медали. На основе этой технологии были созданы составы для нанесения бактерицидных покрытий на элементы интерьера автомобиля (детали из пластика, тканей, стекла, коврики и т. д.). В 2006 году на Сеульском салоне изобретений SIIF разработке достался диплом Всемирной организации интеллектуальной собственности (WIPO).

Продолжаются испытания по использованию наночастиц монтмориллонита с серебром в ионной форме в различных красках и лаках на водной и масляной основе. Предварительные результаты очень обнадеживают, так как при продолжительном испытании окрашенных элементов не обнаруживается рост микробных колоний. Это дает возможность создавать стерильные помещения на орбитальных станциях, в больницах, школах, местах массового скопления людей, на птицефабриках и т. п.

Обрастание днищ судов — острая проблема экологической и экономической значимости. Так, например, для судна с «грязным» корпусом требуется на 40 % больше топлива, чтобы двигаться с той же скоростью, что и судна с чистым корпусом, а это значительно увеличивает выбросы CO2 и других парниковых газов.

Существующие способы предотвращения биологического обрастания судов основаны на использовании биоцидов, убивающих биологические организмы. К ним относятся медь, мышьяк и токсичные органические соединения. Однако биоциды могут создавать проблемы для теплообменников опреснения воды, электростанций и океанографических датчиков.

На основе разработанной технологии получения бактерицидного состава в Институте прикладной нанотехнологии ведутся работы по созданию корабельных красок, защищающих днища судов от обрастания биомассой. Покрытия на основе этих красок проявляют бактерицидную активность, не позволяющую колониям микроорганизмов развиваться на такой поверхности.

В рамках проекта ЕС AMBIO развернуты исследования, направленные на предотвращение обрастания судовых корпусов. Ученые из корпорации BASF сотрудничают в этом проекте с 30 деловыми и научными партнерами из 14 стран. Старт пятилетнего проекта начался в марте 2005 года. Проект включает в себя общий объем бюджета в размере 17,9 млн евро, из которых 11,9 млн будут предоставлены Европейским союзом. Цель проекта AMBIO — использование наноструктур, значительно уменьшающих сцепление микроорганизмов, водорослей, моллюсков с поверхностью днищ судов в морской воде без использования биоцидов.

Бытовое применение нанотехнологий началось с разработки немецкой компанией Nanogate Technologies GmbH продукта Cerax Nanowax на основе химической нанотехнологии, создающего «умную» поверхность с многофункциональными свойствами. Это ультратонкое покрытие работает намного дольше, чем традиционные средства, которые, как правило, очень быстро исчезают. Например, содержащийся в нем воск способствует хорошему скольжению поверхности лыжи. «Умный» Cerax Nanowax застывает при низкой температуре, сливается с поверхностью лыжи и скользит по кристалликам снега. Выпускаются различные модификации данного продукта в зависимости от вида зимнего спорта, погодных условий и уровней профессиональной подготовки спортсмена.

В последнее время наночастицы достаточно часто входят в различные ремонтно-эксплуатационные составы автохимии в качестве добавок к топливу и смазочным материалам. Нанотехнологии также широко применяются для нанесения износостойких композиционных наночастиц на рабочие поверхности при изготовлении специального металлообрабатывающего и стоматологического инструмента, защитных антикоррозионных и бактерицидных покрытий и в ряде других случаев. Например, сотрудники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова совместно с университетским филиалом «Угреша» и в сотрудничестве с рядом зарубежных фирм выполняют научноисследовательские и производственные работы по созданию и нанесению наночастиц различных металлов на любую, включая мелкодисперсную (типа песка), подложку. Применяемая для этих целей плазменная технология совмещает процессы образования наночастиц и их напыления на поверхность и в несколько раз сокращает продолжительность процесса нанесения, а также уменьшает стоимость конечного продукта по сравнению с традиционными методами. Кроме того, характерные размеры наночастиц имеют достаточно малый разброс (не более ±30 %) относительно среднего значения (в интервале от 20 до 50 нм), которое определяется технологическими параметрами работы установки.

В мире постоянно растет интерес к полимерным наночастицам и нанокомпозитам. Ежегодно проводятся международные выставки, симпозиумы, конгрессы и конференции, посвященные вопросам наноструктурных полимерных материалов. Так, если в 2001 году в Чикаго (США) и Монреале (Канада) состоялись две первые международные конференции по полимерным нанокомпозитам, а в 2002 году различным аспектам этой проблемы было посвящено более 10 форумов, то уже в 2003 году мировая научная общественность провела более 20 международных встреч по данной тематике.

В США, Японии, Франции, Канаде и Индии разрабатываются специальные программы по наночастицам и нанокомпозитам различного назначения на основе полимеров. Многие программы ориентированы на разработку полимерных материалов со специфическими свойствами для нужд медицины, военных целей, транспорта и т. д.

В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления — магнитное и электростатическое взаимодействие, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов) или различных квазичастиц. В соответствии с подходом Э. Дрекслера рассматриваются молекулярные и даже биомолекулярные нанотехнологии, однако они, как правило, сводятся к чисто механическим сборочным конструкциям.

Несомненно, использование многих других явлений и качеств, присущих наночастицам, в том числе квантово-механических свойств, должно значительно расширить эти возможности. Например, в настоящее время научно-технической общественностью обсуждаются вопросы применения фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Углеродные фуллерены уже применяются в качестве тонеров (красителей) для копировальных машин, позволяя существенно повысить качество получаемых копий, снизить расход красителя и общую себестоимость выполнения копировальных работ.

Планируется также использовать фуллерены в качестве основы для производства электрических аккумуляторных батарей. Такие элементы питания с принципом действия на основе реакции присоединения водорода во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым батареям, но обладают, в отличие от них, способностью аккумулировать примерно в пять раз больше водорода. В то же время подобные батареи характеризуются более высокой энергоемкостью, небольшой массой, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с аккумуляторами на основе лития, не говоря уже о кадмии. Эти аккумуляторы могут найти широкое применение в элементах питания переносных радиостанций, сотовых телефонов, персональных компьютеров (особенно ноутбуков), слуховых аппаратов и многих других портативных устройств.

Создание одежды из материалов на основе нановолокон — также одна из областей, где нанотехнология уже находит практическое применение. Такая одежда не пропускает ультрафиолетовые лучи, обладает антибактериальными и антигрибковыми свойствами, практически не промокает под дождем и почти не пачкается.

Несмотря на ряд саркастических заявлений известных отечественных ученых и политиков о нанопродукции аналогичного типа, хочу ответить, что мы используем такие носки для занятий лыжным спортом, и готов подтвердить справедливость заявляемых их производителями высоких гигиенических свойств.

В таблице 10 представлены наиболее известные зарубежные фирмы, работающие в области создания наноматериалов и нанотехнологий.

Таблица 10. Некоторые наиболее известные зарубежные производители наноструктур и товаров на их основе

Переходным и соединяющим звеном между достаточно развитыми инкрементными нанотехнологиями и находящимися на начальном пути развития эволюционными нанотехнологиями являются различные методы зондовой нанотехнологии (микроскопии). О практической стороне их использования мы расскажем в дальнейших главах.

Достаточно широкое применение нашли нанотехнологии, основанные на гетероструктурах, в производстве полупроводниковых источников света — светодиодов, более подробно о которых также будет рассказано в следующей главе.

Эти и другие разработки наноразмерной электротехники, в том числе отечественных ученых, в настоящее время являются наиболее весомыми достижениями в области практической нанотехнологии.

Эволюционная нанотехнология

Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизмами, работы над которыми находятся на начальном этапе.

Как уже было отмечено, по идее Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей — зубчатых колес, штоков, деталей подшипников, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т. д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться друг с другом. Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.

На рис. 43–45 приведены примеры простейших и довольно сложных механических конструкций, рассчитанных методами молекулярной динамики и собранных из нанокомпонентов.

Наибольшего прогресса в этом направлении достигли японские ученые из университета префектуры Айти вместе с коллегами из токийского Университета Сэйкэй, создавшие микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их зарегистрировать. Силу трения, которую измеряли при помощи силового зондового микроскопа, зафиксировать не удалось, так как она оказалась меньше триллионной доли Ньютона, что пока измерить невозможно.

Рис. 43. Простейшие шестеренные передачи (разработка NASA)

Рис. 44. Сборочные единицы наноподшипника

Рис. 45. Сборка конструкций наноманипуляторами

Материалом для «вечного» мини-подшипника послужили синтетические молекулы — фуллерены. В данном случае они состояли из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти— и шестиугольников, формирующих шар. Эти вращающиеся «шарики» после сложного технологического процесса поставили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита.

В данном случае был реализован принцип безызносного подшипника, который планируется использовать в производстве миниатюрных роботов и микромеханизмов с практически вечными деталями.

В 2005 году профессор Джеймс Тур и его коллеги из техасского Университета Райса (Rice University) создали молекулярную механическую «конструкцию» — цельномолекулярный четырехколесный «наноавтомобиль», шириной около 2 нм, работающий на поглощении энергии света (рис. 46). Он состоял примерно из трех сотен атомов и имел раму и оси (фениленэтиленовый олигомер), химически связанные ковалентными связями с четырьмя фуллереновыми колесами (бакиболлами), то есть сферами из 60 атомов.

Рис. 46. Схематичная атомная конструкция наноавтомобиля

Первый «наномобиль» проявил способность к перемещению только по золотой поверхности и только в интервале температур 170–225 °C из-за высоких сил сцепления (адгезии) с поверхностью золота при более низких температурах.

С помощью электронного микроскопа было установлено, что «наноавтомобиль» может двигаться только в перпендикулярном направлении к осям конструкции, что указывает на реализацию вращающего движения колес, а не их скольжение по поверхности.

На разработку и создание «наноавтомобиля» потребовалось восемь лет. Причем самой сложной задачей оказался как раз поиск решения о креплении четырех фуллереновых колес несущей части. Рама «наноавтомобиля» была изготовлена учеными при помощи реакций кросс-сочетания, катализируемых палладием, причем эта работа заняла менее 10 % затраченного времени. При этом у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на адгезию, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими).

В 2009 году, по некоторым сообщениям [сайт Rice University, 30.01.2009], американские ученые профессор Стефан Линк (Stephan Link), Анатолий Коломейский и др. усовершенствовали предыдущую разработку, создав «наномашину», двигавшуюся уже при комнатной температуре и непроводящей (не золотой) поверхности. Они также снабдили конструкцию флуоресцентной меткой, позволившей замерить скорость передвижения автомобиля — 4,1 нм/с (14,76 мкм/час). Можно считать, что на настоящий момент это мировой рекорд скорости для «наноавтомобилей», который заслуживает занесения в «Книгу рекордов Гиннесса».

Данная конструкция представляет собой первый шаг в направлении молекулярного производства (эволюционной нанотехнологии) и открывает возможности изучения манипулирования вещами на наноуровне в небиологических системах, о чем писал Эрик Дрекслер. В планах ученых — создание грузовых нанотранспортных средств («наногрузовиков») для перевозки грузов (молекул) к конвейерам нанофабрик.

Наибольшее внимание это направление исследований получило в электротехнике, ниже оно будет рассмотрено подробнее, поскольку в будущем послужит переходным звеном к радикальным нанотехнологиям.

Радикальные нанотехнологии

Радикальная нанотехнология — это нанороботы (предполагаемые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишь в фантастических рассказах и кинофильмах). Они способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов «Земля-орбита» и даже «Земля-Луна», терраформирования (изменения) Луны, других планет, их естественных спутников и т. д.

Один из самых известных последователей идей Дрекслера и мыслитель в области молекулярной нанотехнологии — австралийский ученый и писатель Джон Сторрс Холл (John Storrs Hall). Он основал сайт новостей sci.nanotech Usenet, которым руководил на протяжении десяти лет. Холл два года работал в качестве главного специалиста Nanorex Inc. Он написал несколько научных работ по нанотехнологии и разработал такие идеи, как конструкторский туман, космический пирс — концепция космического гибрида пирса-башни и космический автомобиль. В 2006 году Институтом предвидения нанотехнологий (Foresight Nanotech Institute) С. Холл награжден премией Р Фейнмана не только за научные работы, но и за популяризацию идей из области молекулярной нанотехнологии. Время от времени на различных конференциях по нанотехнологиям доктор Холл представляет концепцию космического пирса как один из фантастических проектов, реализация которого будет технически и экономически возможна методами молекулярной нанотехнологии.

Идея космодрома, использующего силы земного притяжения и центробежного ускорения в виде системы супервысоких башен, связанных между собой специальной дорогой, достаточно стара. Еще в 1686 году в одном из писем Исаак Ньютон рассуждал об использовании в качестве средства передвижения конструкции (повозки), основанной на этих принципах.

Основоположник космонавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935) еще 1895 году в своей работе «Грезы о Земле и небе» также выдвинул аналогичные идеи транспортных космических систем: космического лифта и центробежного ускорителя.

Основная же идея космодрома Холла заключается в необходимости построить конструкцию из синхронных башен высотой от 100 км (62 мили) до 300 км (186 миль). Вся система должна быть соединена специальным токопроводящим рельсом или каким-то иным способом, позволяющим использовать для разгона индукционные (электромагнитные) поля (рис. 47).

Рис. 47. Схема космического старта с пирса-башни

Космический корабль (космический автомобиль) поднимается вертикально вверх на первую башню высотой 100 км над уровнем земли и устанавливается на этот рельс (путь). Затем за счет электромагнитных сил и центробежного ускорения Земли он разгоняется до необходимых скоростей, достаточных для выхода в открытый космос, полетов на Луну, Марс или Венеру.

В общем, упрощенно можно сравнить данную идею с катанием с горки на санях. Чем выше горка, тем быстрее едешь, при этом для движения вниз не затрачивается никаких дополнительных усилий (энергии), кроме как силы притяжения. В случае с космическим автомобилем имеется еще один дополнительный разгонный фактор — центробежные силы от вращения Земли вокруг своей оси.

Такая фантастическая идея имеет множество климатических, социальных, технических и технологических проблем, делающих ее невыполнимой в ближайшее время. Ведь для строительства подобной конструкции потребуется расширение производственных мощностей по производству различных наноструктур высокого качества, прежде всего трубок (наномолекулярное производство). Проект потребует до 100 тыс. тонн практически идеального нанотрубчатого графита большой длины для строительства башен и прокладки кабельных сетей протяженностью порядка 80 тыс. км.

Идея космического лифта в настоящее время кажется более осуществимой.

Космический лифт — фантастическая научно-техническая концепция специального устройства по выведению грузов и спутников на планетарную орбиту или за ее пределы с помощью высокопрочного троса, протянутого от земной поверхности к геостационарной орбитальной станции. По тросу должен двигаться подъемник, перевозящий необходимый груз. За пределами геостационарной орбиты за счет центробежной силы лифт будет ускоряться без дополнительных затрат энергии, что позволит даже отправлять его вовне планетарной орбиты. Для сбалансирования собственного веса троса со станции в противоположную сторону должен спускаться другой трос.

В 1960 году идея космического лифта была обоснована и достаточно подробно разработана ленинградским инженером Юрием Николаевичем Арцутановым.

В 1978 году один из известнейших научных фантастов Артур Кларк написал получивший широчайшую известность роман о космическом лифте «Фонтаны рая».

Кларку принадлежит и идея так называемого полулифта — троса, протянутого от аппарата на геостационарной орбите (такие спутники неподвижно расположены над заданной точкой земной поверхности на высоте 36 тыс. км) не до самой поверхности Земли, а только на половину расстояния.

Однако и конструкция космического лифта (полулифта) в той или иной степени требует применения новых высокопрочных материалов. От троса требуется сочетание высочайшей прочности на разрыв (около 20 000 МПа, тогда как у лучших легированных сталей она не превышает 1700 МПа) и малого удельного веса (плотности), ориентировочно втрое легче алюминия.

Так, стальной трос, если его подвесить над поверхностью Земли, под действием собственного веса разорвется при длине около 70 км, углеродные волокна оборвутся при высоте не более 140 км, искусственный материал кевлар продержится около 200 км, кварцевая нить выдержит более 280 км. С учетом «микротяжести» (разности между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите) максимальное натяжение намного меньше полного веса троса — реальная разрывная длина превысит указанную в 4–5 раз. По теоретическим расчетам трос из качественных углеродных нанотрубок может обладать прочностью до 400 кН/мм2.

Лишь для одного троса космического лифта потребуется около 20 млн граммов углеродных нанотрубок высокого качества. С учетом того, что в 2006 году их стоимость составляла 25 долларов за грамм, цена только одного троса в настоящее время составляет более 5 млрд долларов. Стоимость же создания всего лифта оценивается в 7-12 млрд долларов.

Поперечное сечение троса космического лифта само по себе является сложным техническим решением (рис. 48). В середину уложен легкий направляющий жгут 1 из волокон номекса или кевлара. Для передачи электрического тока на его поверхность укладывается тонкая оплетка 2 из медной проволоки, поверхность которой защищена от внешнего воздействия тефлоновым изоляционным материалом 3. Основную механическую нагрузку должен нести высокопрочный слой кевлара 4. Вся конструкция снаружи защищена от ультрафиолетового излучения еще одним слоем номекса 5. Также на поверхность могут быть нанесены различные светоотражающие защитные слои лака 6.

Рис. 48. Конструкция поперечного сечения троса космического лифта: 1 — волокна номекса или кевлара; 2 — оплетка из медной проволоки; 3 — изоляционный материал из тефлона; 4 — несущий слой кевлара; 5 — ультрафиолетовая защита из номекса; 6 — светоотражающее покрытие

При применении углеродных нанотрубок конструкция троса, возможно, будет упрощена за счет их высокой эластичности и токопроводности. При этом отпадет надобность в двух или даже трех внутренних слоях номекса, медной проволоки и тефлона. Однако требования к ультрафиолетовой защите должны быть значительно ужесточены, так как при облучении фотонами даже с энергией значительно ниже видимого света (равной 1,54 эВ) происходит разрушение структуры углеродных нанотрубок.

Будем надеяться, что технический прогресс в XXI веке позволит нам массово производить товары и машины, которые ранее были дорогостоящими, в том числе и из алмазов или наноматериалов. Например, компьютеры, сотовые телефоны и Интернет были фантастикой еще каких-нибудь 50 лет назад, роскошью — 20 лет назад, а теперь они не вызывают даже удивления ни у кого, кроме специалистов и ученых, понимающих, каких вершин мы уже достигли и что может ожидать человечество в будущем.

Еще в 1969 году Ю. Н. Арцутанов предложил не закреплять лифт на земной поверхности. Рассчитав соотношение орбитального движения и вращение связки двух спутников вокруг общего центра масс, можно в определенный момент одним из спутников «зависать» или медленно двигаться у поверхности Земли. При его прохождении над грузовым терминалом с помощью специальных устройств необходимый груз будет захватываться и выводиться на орбиту.

В 1975 году аналогичная система была повторно предложена американцем Гансом Моравеком (Hans Moravec) под названием «несинхронный космический лифт».

Еще более фантастический замысел создания лунного лифта принадлежит советскому ученому и изобретателю в области теории межпланетных полетов, реактивных двигателей и летательных аппаратов Фридриху Артуровичу Цандеру. В 1910 году Цандер предложил протянуть через точку либрации с поверхности Луны к Земле специальный трос (длиной более 60 тыс. км). Такой трос будет натянут гравитационными и центробежными силами, и по нему теоретически будет возможна перевозка грузов. Понятно, что трос будет натянут до тех пор, пока по нему не пойдет грузовой лифт, в этом случае все равно потребуются дополнительные затраты энергии и средств, кроме фантастических затрат на строительство самого троса.

В последние несколько десятилетий из-за очень высокой стоимости ракетных запусков концепцией «космического лифта» заинтересовалось Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA). По предварительным расчетам, такой способ в будущем будет на порядок дешевле использования ракет-носителей. Впервые идея практического использования космического троса была реализована в 1966 году в спарке кораблей «Джемини-Аджена» (ленточное соединение), а затем — в 1981–1983 годах в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами. Также в 1987–1990 годах планировалось провести испытания полета орбитального самолета с закрепленным на нем с помощью троса спутником, который был отменен из-за аварии космического челнока «Челленджер».

Космическое агентство США уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного автоматически перемещаться по канату. В частности, NASA недавно объявило тендер на наиболее прочный образец троса из нанотрубок и эффективный способ удаленной подзарядки роботов.

Испытания с укороченным 400-метровым прототипом космического лифта успешно провела частная вашингтонская компания LiftPort, сообщается на сайте PhysOrg.com. Специальный робот в автоматическом режиме поднялся и опустился по «канату», прикрепленному к воздушному шару. К 2031 году LiftPort намерена применить «космический лифт» для коммерческой доставки грузов на орбиту.

Еще раз следует отметить, что все эти разработки смогут быть реально воплощены в жизнь только с развитием нанонауки, в частности молекулярной нанотехнологии сборки углеродных нанотрубок высокого качества.

Однако идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является как раз первооткрыватель фуллеренов Р. Смолли, признавший ряд положений молекулярной нанотехнологии (МНТ) Э. Дрекслера. Возникшие разногласия можно будет, вероятно, разрешить в будущем лишь путем эксперимента.

В целом, если не принимать в расчет первый японский «наноавтомобиль» на фуллереновых «колесах», именно невозможность практически изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей (молекул) является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии.

В следующих главах нами будут подробно рассматриваться известные инкрементные нанотехнологии, находящие все более широкое применение в различных сферах деятельности человечества, в том числе энергетике, электронной промышленности, машиностроении, автомобилестроении, сельском хозяйстве, медицине и косметологии, а также в военной промышленности.

Нанотехнологии и энергоэффективность

Решая проблемы сегодняшнего дня, мы, конечно, должны думать и о будущем, и о том, какого рода энергоресурсы станут основой энергетики будущего.

Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации

На сегодняшний день в центре исследований, проводимых учеными в энергетической сфере, стоят проблемы генерирования (преобразования и производства) энергии, ее накопление, передача, а также сохранение.

В настоящее время около 1,6 млрд человек не обеспечены электроэнергией, а у 2,4 млрд единственными источниками энергии и тепла являются сельскохозяйственные отходы и растительные материалы. Использование ископаемого топлива растет и может в ближайшее время удвоиться. С учетом имеющихся запасов природного топлива эта проблема будет с каждым годом только усугубляться.

Согласно прогнозам, спрос на электроэнергию к 2025 году вырастет на 50 %. Более того, по предсказаниям Ричарда Смолли, к 2050 году для удовлетворения своих нужд человечеству будет необходимо удвоить генерирование различных видов энергии.

В настоящее время вклад угля в мировое производство электроэнергии составляет более 37 %, природного газа — 19 %, гидроресурсов — 16 %, АЭС — 16 %, нефти — около 7 %. По прогнозам экспертов, до 2015 года удельный вес газа в мировом электроэнергетическом балансе должен снизиться более чем в три раза, а доля угля, к сожалению, останется на прежнем уровне.

Следует отметить, что соблюдение норм Киотского протокола по снижению выбросов парниковых газов влечет существенное удорожание производства электроэнергии. Затраты на снижение содержания оксида углерода при производстве электроэнергии на тепловых станциях приводят к снижению КПД от 10 до 15 % (в зависимости от применяемых технологий очистки).

Общеизвестна пагубная зависимость экономики России, не говоря уже об энергетике, от углеводородного сырья. Вследствие низких цен на газ его доля в общем энергетическом балансе составляет около 46 %, а доля угля — 18 %. Все чаще в СМИ и из уст политиков звучат тревожные слова «о нефтегазовой игле», разрушающей нашу экономику и способной привести к непоправимым последствиям для целостности и независимости государства.

Уже сейчас необходимо заниматься возобновляемыми источниками энергии, потому что рано или поздно они заместят действующие традиционные углеводороды.

Возобновляемые источники энергии включают использование ветровой и солнечной энергии, геотермального тепла (в перспективе — глубинного тепла [до 10 км], где температура пород достигает 300 °C) и энергии биомассы. Тем более что у России имеется опыт успешного строительства и эксплуатации геотермальных электростанций на Дальнем Востоке, а также приливных гидроэлектростанций на Кольском полуострове.

Основные преимущества возобновляемой энергетики — относительная неисчерпаемость ресурсов в обозримом будущем и экологическая чистота производства. По оценкам Американского института инженеров-электриков (American Institute of Electrical Engineers, AIEE), доля электроэнергии, полученной от возобновляемых источников, выросла с 1 % в 1980 году до 5 % в 2005 году. К 2020 году она составит уже не менее 13 %, а к 2060 году может достигнуть 33 %. В странах Европейского союза планируется также увеличение доли возобновляемых источников энергии в общем балансе энергоресурсов (производстве тепловой и электрической энергии) с 6 % (1996 год) до 12 % (2010 год), а в перспективе — до 20 % в 2020 году, особенно при использовании солнечной и ветровой энергии.

Аналогичные задачи ставит перед своей экономикой и руководство Китая, планируя к 2020 году довести долю возобновляемых источников до 15–20 %.

Однако для нашей страны развитие альтернативной энергетики на основе возобновляемых источников энергии — это еще и возможность значительного совершенствования производства, технологического прорыва и перевода экономики на инновационный путь развития.

В целях организации комплексного подхода к процессам энергосбережения в масштабах государства была разработана и принята Федеральная целевая программа «Энергоэффективная экономика» на 2002–2005 годы и на перспективу до 2010 года. При этом утвержденная программа должна стать одним из основных этапов, своего рода стартом основных механизмов реализации «Энергетической стратегии России на период до 2020 года».

Главная государственная цель программы — создание социально ориентированного энергетического хозяйства, за счет структурной перестройки энергопроизводящих и энергопотребляющих отраслей обеспечивающего эффективное энергосбережение в стране, надежное обеспечение энергоносителями отраслей экономики, снижение энергоемкости ВВП к 2010 году — на 26 % по отношению к психологическому рубежу 2000 года.

В настоящее время реализуется так называемый план ГОЭЛРО-2 — утвержденная правительством страны генеральная схема размещения энергомощностей до 2020 года, предусматривающая ввод дополнительно 41 ГВт электрических мощностей к 2011 году. Однако из-за глубокого мирового экономического кризиса и крупнейшей техногенной катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС выполнение данных планов маловероятно.

В рамках Федеральной целевой программы было выделено приоритетное направление «Энергосберегающие технологии», которое включает следующие наиболее перспективные области исследований:

• водородную энергетику;

• биотопливо и переработку биомассы;

• малую энергетику и энергосберегающие технологии для жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ);

• энергосбережение с помощью новых технологий и агрегатов;

• новые технологии и энергетическое оборудование.

В соответствии с планами данной стратегии, к 2030 году производство электроэнергии в нашей стране должно удвоиться.

Наряду с электроникой и медициной, энергетическая сфера — наиболее бурно развивающийся и перспективный рынок для нанотехнологических разработок. Главными задачами применения нанотехнологий и наноматериалов в энергетическом секторе экономики страны является повышение эффективности, надежности, безопасности и срока службы, а также общее снижение энергетических затрат в производстве ВВП.

Предполагается, что нанотехнологии позволят решить многие энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, эффективных катализаторов и суперконденсаторов, распределения источников энергии и децентрализации производства, а также хранения энергии за счет качественного обновления электроэнергетической системы.

Генерация (получение) энергии

Наиболее перспективными направлениями ближайшего будущего в сфере преобразования и генерации энергии являются фотовольтаики (солнечные элементы), преобразование водорода (топливные элементы), термоэлектричество (термоэлектрические устройства), совершенствование углеводородной топливной энергетики (катализаторы, добавки), на первоочередное развитие которых направлена деятельность многих крупных производственных предприятий и институтов.

По данным консалтинговой компании Lux Research (США), общий размер рынка солнечной энергетики в 2008 году достиг 33,3 млрд долларов, или около 5 ГВт. Ориентировочно в пересчете на денежный эквивалент, данный рынок с 2001 года увеличился более чем в 11 раз. Сегмент кремниевых тонкопленочных солнечных модулей в 2008 году оценивался в 0,6 ГВт, но, по прогнозам экспертов, уже к 2012 году он увеличится до 2,4 ГВт, что составит в денежном выражении прирост с 3,8 млрд до 8,6 млрд долларов.

Главной сферой применения веществ, созданных на основе нанотехнологий, пока являются различного рода катализаторы и другие методы очистки, а также создание веществ с новыми свойствами для различных отраслей энергетики. Основная цель применения наноматериалов в энергетическом секторе — увеличение эффективности, надежности, безопасности и срока службы, а также снижение себестоимости.

По данным The Global Technology Revolution 2020, In-Depth Analyses от 2006 года, только дешевая солнечная энергетика включена международными экспертами в перечень 16 самых перспективных технологий 2020 года. При этом сами нанотехнологии названы одной из четырех основных технологий будущего наряду с биотехнологиями, информационными технологиями и технологиями материалов.

Направление исследований и практических работ по изучению и созданию оборудования для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью специальных полупроводниковых элементов — солнечных батарей, называют фотовольтаикой.

Основным устройством для генерации электрического тока при помощи солнечного излучения являются солнечные батареи (модули), которые состоят из полупроводникового диода, помещенного между двух проводящих слоев (рис. 49). Когда свет поглощается полупроводником, в нем образуют электроны и дырки (вакансии), которые перемещаются к электрическим контактам, создавая тем самым электрический ток.

В настоящее время в связи с совершенствованием методик генерации света, появлением новых типов модуляторов света (электрооптических, акустооптических и др.) и развитием полупроводниковой техники создаются устройства для использования не только видимого спектра светового излучения, но и излучения с длиной волны от ближнего ультрафиолетового (200 нм) до терагерцевого диапазона (75-150 мкм или 2–4 ТГц).

Рис. 49. Схема работы классической кремниевой солнечной батареи: 1 — чистый монокристаллический кремний; 2 — «загрязненный» кремний; 3 — аккумулятор

В идеальном случае можно использовать весь видимый спектр солнечного излучения: от близкого к инфракрасному до ультрафиолетового. Это очень актуально в районах, где мало солнечных дней. Подобные задачи решаются теоретически, однако все зависит от типа и конфигурации используемых материалов. Исследование, создание и совершенствование подходящих материалов, разработка и производство на их основе новых устройств фотовольтаики — главная задача и условие развития солнечной энергетики.

Другой немаловажной проблемой является стоимость солнечных батарей, которая пока остается достаточно высокой для их повсеместного применения, а также достаточно низкий коэффициент полезного действия (КПД). Именно нанотехнологии могут и должны в ближайшие годы решить эти проблемы.

В качестве примера хотелось бы перечислить некоторые наиболее известные мировые нанотехнологические разработки для фотовольтаики, направленные на решение указанных проблем:

• гибкие органические солнечные батареи на основе фуллеренов (С60) и гетероструктур С6о/p-Si с высокой поглощающей способностью в коротковолновой области солнечного спектра;

• солнечные батареи на основе накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нано-слоевой и кластерно-фрактальной структурой;

• органические фотоэлементы солнечных батарей на основе полимерно-фуллереновых наноструктур, в которых транспорт носителей заряда осуществляется сетью нанокристаллов и органических молекул;

• солнечные батареи на основе квантовых точек, улучшающих их КПД до 42 % (теоретически — до 86 %) за счет генерации трех электронов на один падающий фотон;

• многослойные гетероструктуры InGaAs/AlGaAs и InAs/ InGaSb с квантовыми ямами и гетероструктуры Ge/Si с квантовыми точками для промышленной технологии производства фотоприемных модулей ИК-диапазона;

• мультикаскадные наногетероструктурные фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии каскадного типа с КПД до 35 % при 1000-кратном концентрировании наземного солнечного излучения (в два раза дешевле существующих преобразователей) для создания концентраторных солнечных энергоустановок в районах без централизованного электроснабжения;

• солнечные батареи на основе керамических наноматериалов из слоев диоксидов титана и кремния толщиной от 50 до 100 нм каждый, на треть повышающие выработку электроэнергии без увеличения площади солнечных элементов;

• дешевые солнечные батареи из металлических наноматериалов (Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe), их оксидов и гидроксидов, использующие физические явления;

• трехмерные солнечные элементы на основе углеродных нанотрубок, повышающие коэффициент поглощения солнечной энергии кремниевыми солнечными батареями с нынешних 67,4 до 96,21 %;

• солнечные батареи из решеток наноантенн диаметром 2–4 мкм, преобразующие в электричество 92 % световой энергии (прототипы поглощали до 80 %); работают ночью за счет утилизации ИК-диапазона (тепла Земли, электронных и других источников);

• солнечные батареи из поликристаллического кремния (c-Si) — используются высокочистые кремнийсодержащие материалы для наноуровневого производства устройств фотоэлектрического преобразования солнечного излучения (фотоэлементов) и микроэлектроники;

• солнечные элементы, созданные на основе аморфного кремния (a-Si), позволяющие уменьшить толщину солнечных батарей при повышении эффективности более 10 %;

• обладающие необходимой механической прочностью аэрогели для солнечных коллекторов из объединенных в кластеры наночастиц (до 5 нм) и с полостями (до 100 нм), занимающими до 99 % объема;

• солнечные источники энергии с потенциалом недорогого производства на основе наноструктурированных солнечных элементов, сенсибилизированные специальным поглощающим красителем.

При поддержке «РОСНАНО» в Усольске-Сибирском Иркутской области на базе отечественного предприятия НИТОЛ строится комплекс по производству поликристаллического кремния (на основе которого в настоящее время производится до 90 % всех солнечных элементов в мире) и моносилана (бесцветного газа, служащего для производства ЖК-дисплеев и тонкопленочных солнечных модулей).

Старт основного производства состоялся в 2009 году. При этом мощность проекта по производству поликремния должна составить 3800 т в год, а по моносилану — 200 т в год. Общий бюджет проекта оценивается в 18,9 млрд рублей.

Некоторым политикам и ряду ученых хотелось бы не замечать эти и другие практические достижения отечественных и мировых ученых и практиков, но факты говорят сами за себя — подобные примеры практического применения нанотехнологий можно привести по многим другим отраслям промышленности.

В некоторых случаях солнечные батареи являются основным источником энергии (например, в космической технике). В других случаях они уже конкурентоспособны по отношению к углеводородным материалам (например, в локальном энергообеспечении удаленных местностей, особенно в экологически чистых районах).

По мнению ученых и экспертов, наиболее перспективное снижение себестоимости солнечных элементов ожидается со стороны высокочувствительных красок (покрытий) для солнечных элементов и солнечных элементов на основе органических полимеров.

По сообщениям СМИ, в конце мая 2009 года ГК «РОСНАНО» и «Ренова Оргсинтез» подписали инвестиционное соглашение о создании в России совместного предприятия Nano Solar Technology Ltd по производству солнечных модулей. В рамках проекта планируется строительство предприятия полного цикла производства солнечных модулей на территории промышленной площадки ОАО «Химпром» в городе Новочебоксарске (Чувашия). Полная стоимость проекта оценивается в 440 млн евро.

Для запуска производства был заключен контракт со швейцарской фирмой Oerlikon на поставку линии для производства солнечных модулей по технологии тонких пленок Micromorph. Объем выпускаемой продукции в 2011 году при выходе производства на проектную мощность должен составить 120 МВт (1 млн солнечных модулей) в год.

К сожалению, 85 % производимых солнечных модулей планируется продавать в Европе и только 15 % (в долгосрочной перспективе) направлять на отечественный рынок.

Конечно, солнечная энергия может использоваться и в термоэлектрических устройствах для обыкновенного нагрева воды и обогрева домов и офисов — наноструктурированные материалы смогут увеличить эффективность подобных устройств и систем.

Другой немаловажной задачей исследований в области генерации энергии являются топливные элементы. В настоящее время топливные элементы пока находятся на этапе разработки опытных образцов (прототипов). Однако их применение в наше время еще в большей степени ограничено высокой ценой.

Японская корпорация Honda разработала полупроводниковый катализатор воды на основе наночастиц углерода, позволяющий под воздействием солнечного облучения достаточно эффективно разлагать воду на кислород и водород. При этом используется не только видимый свет, но и более широкий спектр излучения. По данным Brookhaven National Laboratory, это позволит увеличить эффективность разложения воды до 8 %, что вплотную приближается к пороговому значению в 10 %, установленному Министерством энергетики США для возможности рентабельного коммерческого использования.

Исследования применения различных видов топливных элементов указывают на их более высокую эффективность по сравнению с электрическими аккумуляторными батареями, даже несмотря на низкий коэффициент преобразования вещества (носителя) в конечное топливо.

В Ирландии при участии компании More Energy (Израиль) и Института теплотехники Сибирского отделения (СО) РАН запущено массовое производство топливных элементов с мощностью 1,3 Вт. В перспективе планируется выпуск до 1,5 млн изделий в месяц. В СО РАН разработан лабораторный образец топливного элемента на основе алюминия, а также ведутся исследования по использованию нанопокрытий палладия и платины на каталитических компонентах и мембранных системах.

С учетом относительной небезопасности водородной энергетики, перспективными являются портативные топливные элементы на жидком топливе — растворах боргидридов. Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов (Solomon Labinov) предложил концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. Когда порошок полностью расходуется, топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

По мнению Дэвида Бича (David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа в штате Теннесси (США), металлическое топливо, как и водород, — это источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Его можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии.

Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В то же время этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.

Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе, или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночастицы можно было получать по разумной стоимости.

Главная проблема двигателя на металлическом топливе — достаточно большой вес топлива, даже с учетом его энергетической емкости. Например, объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля эквивалентно 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Бор и углерод — соседи по таблице Менделеева, оба элемента — неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов невелики. Главное следствие этого сходства — быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия — это химия углеводородов и их производных.

Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг, или 14170 ккал/кг) почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг, или 7870 ккал/кг). Заменив углеводородные виды топлива бороводородными в воздушно-реактивных двигателях, при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.

В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50 % бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.

Тем не менее уже имеющиеся научные достижения, основанные на нанотехнологиях в производстве высокоэффективных мембран, катализаторов и электродов, помогут снизить себестоимость топливных элементов, а также повысить их КПД. Наиболее востребованным рынком для топливных элементов может стать аэрокосмическая отрасль, автомобильная промышленность и агропромышленный комплекс.

Использование биологических механизмов для производства и хранения энергии в технических устройствах (биоэнергетика) пока остается гипотетической задачей. Фундаментальные исследования в этом направлении сконцентрированы только на понимании биохимических процессов фотосинтеза и анализа возможных путей реализации данных процессов в технических системах.

Эффективность биологических катализаторов (энзимов) в живой природе достигает 100 %, что, конечно, является недосягаемой величиной при любом современном технологическом процессе синтеза. По данным Brookhaven National Laboratory и Rutgers University, экспериментальный катализатор из наночастиц золота на поверхности из диоксида титана оказался в 10 раз активнее при разложении двуокиси серы (SO2), составляющей основу кислотных дождей и смога, по сравнению с действием промышленно выпускаемых нейтрализатором отработавших газов автомобиля. Именно размеры и электронная структура наночастиц имеют решающее значение при повышении эффективности катализаторов.

Для успешного решения поставленных задач необходимо разработать новые методы синтеза металлических нанокластеров строго определенного размера, формы и внутреннего строения (архитектуры) на основаниях с нанесенными наночастицами оксидов металлов. Например, применение наночастиц рутения, осажденных на графитовую подложку, для производства азота позволяет значительно снизить затраты по сравнению с применяемыми в настоящее время промышленными катализаторами. Следует отметить, что на выполнение данного технологического процесса (одного из самых энергозатратных в современной промышленности) затрачивается около 1 % всего мирового потребления электроэнергии.

Распределение и хранение энергии

В сфере распределения, передачи, аккумулирования и хранения энергии наиболее перспективными возможностями применения наноматериалов и нанотехнологии являются высокоэффективные проводящие системы (провода, трансформаторы и другие устройства), а также перезаряжаемые аккумуляторы и суперконденсаторы.

Значительные потери электроэнергии происходят в процессе передачи их от производителя к потребителю. При огромных расстояниях, характерных для нашей страны, проблема качества токопроводящих материалов (кабелей и проводов) и соответствующего приборного обеспечения наиболее актуальна.

Одной из задач нанотехнологий является разработка наноструктурных электротехнических проводов нового класса для различных линий электропередач со сверхвысокой прочностью (на уровне стали 1200–1500 МПа) и электропроводностью (на уровне 60–75 % от электропроводности высокочистой меди) с нанометрическим уровнем дисперсности микроструктуры.

К таким разработкам следует отнести нанокомпозиционные электрические провода с высокой прочностью и электропроводностью, состоящие из наноструктурных волокон серебра, распределенных в матрице меди, а также сверхпрочные высокопроводящие кабели на основе интерметаллидов.

Немаловажная задача — разработка и производство специальных проводящих материалов для радиоэлектронной техники и будущих нанометрических устройств. К таким разработкам относятся:

• нанопроволока на основе оксида индия;

• ультратонкие провода на основе наночастиц золота;

• наноструктурные композиционные сверхпроводники NbTi с низкими энергетическими потерями в быстроменяющих-ся магнитных полях для магнитных систем синхротронов SIS-100 и SIS-300 международного проекта FAIR;

• термопарная проволока для высокочувствительных измерений температуры на основе наноструктурированного сплава никеля и другие разработки.

При разработке новых конструкций аккумуляторных батарей и суперконденсаторов ожидается, что наноматериалы окажут решающее значение при решении следующих основных задач.

1. Увеличение плотности энергии и мощности, в том числе для классических батарей.

2. Улучшение показателей продолжительности и эффективности цикла зарядки батарей.

3. Повышение общего срока службы (циклов «заряд-разрядка»).

4. Снижение токсичности применяемых материалов (в том числе возможных перспективных наноматериалов будущих элементов).

5. Снижение взрывоопасности и пожароопасности (так как, например, наночастицы гидридов металла обладают высокой опасностью воспламенения).

Нанокристаллические композитные материалы и нанотрубки планируется использовать для восстановления нормы графита в литиево-графитных электродах. Обеспечивая наноразмерной структурой значительную площадь рабочей поверхности, они смогут привести к увеличению плотности энергии, мощности и улучшению других показателей аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.

Наиболее перспективными нанотехнологическими разработками в этой области являются наноструктурированные аноды и катоды из наноматериалов, которые прочнее и до 100 раз мощнее традиционных изделий. Нанокерамические сепараторы и полимерные электролиты могут помочь увеличить мощность и надежность и выдержать до 500 циклов «заряд-разрядка» до полного истощения.

Использование нанокристаллических материалов и углеродных нанотрубок в качестве материалов для электродов в перезаряжаемых аккумуляторах (например, литиевых батареях) привело не только к уменьшению их размеров, но и к значительному увеличению плотности энергии и мощности, срока службы и количества циклов «заряд-разрядка».

Аналогичные результаты могут быть получены при применении нанопористых материалов для изготовления электродов разрабатываемых в настоящее время суперконденсаторов.

Развитие нанотехнологий позволит открыть новые потенциальные рынки для аккумуляторов и суперконденсаторов или их сочетания в наноэлектромеханических системах (роботах), мобильных телефонах, ноутбуках и т. д.

Сбережение энергии

В сбережении энергии наиболее значимые и высокоэффективные сферы применения нанотехнологий открываются при производстве материалов и устройств для улучшения теплоизоляции (аэрогели, умные стекла), более эффективного и экономичного освещения (светодиоды на основе полимерной органики ОЛЕД), использования традиционного углеводородного топлива (катализаторы), а также создании более легких материалов в машиностроении и транспорте.

Главное предназначение теплоизоляции — снижение скорости теплопередачи (фактически теплопотерь) вследствие теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а также любой комбинации этих энергетических процессов.

Снижение теплопотерь практически можно осуществить двумя основными способами.

1. Применением высокопористого материала, удерживающего газообразные вещества (воздух или иную среду) и предупреждающего конвекцию.

2. Использованием покрытий для отражения различного рода излучения (в основном, естественно, инфракрасного спектра) как снаружи, так и извне помещений.

В настоящее время для теплоизоляции все еще применяют стекловолокно, минеральную вату и шлаковату, но по мере разработки новых прозрачных аэрогелей и с уменьшением их стоимости эти материалы способны значительно повысить эффективность энергосбережения. Положительный опыт применения аэрогелей уже имеется при изготовлении изоляции трубопроводов (например, для природного газа).

В рамках начавшегося в 2005 году Датского исследовательского проекта в настоящее время разрабатываются новые аэрогели, которые можно применять в качестве светопроницаемого и одновременно изоляционного материала для покрытия в солнечных коллекторах.

Например, такие нанокомпозитные кремниевые аэрогели, как аэростекло (airglass), обладают низкой проводимостью, низкой плотностью твердых частиц, высокой пористостью, большой площадью поверхности и высокой диэлектрической проницаемостью, что делает их одним из лучших светопроницаемых изоляционных материалов.

В рамках этого проекта для повышения энергосбережения можно ввести понятие «умное остекление» помещений, способное реагировать на изменения в освещенности и температуре окружающей среды соответствующим изменением прозрачности и теплопроводности.

Углеродные аэрогели, обладающие электропроводящими свойствами и высоким коэффициентом оптического поглощения инфракрасного излучения, также являются перспективным материалом для высокотемпературной тепловой изоляции.

Очень значительную экономию электрической энергии может дать повсеместный и обязательный переход на газоразрядные лампы дневного света, особенно на светодиодную осветительную технику.

В нашей стране первые открытия в этой области были сделаны Олегом Владимировичем Лосевым (1903–1942), работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории, еще в 1923 году. В книге «У истоков полупроводниковой техники: избранные труды», вышедшей в свет только в 1972 году, так описываются наблюдения ученого: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА… Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света». О. В. Лосев умер в блокадном Ленинграде, отказавшись от эвакуации в глубь страны, и многие полученные им результаты были забыты.

Может быть именно поэтому первые светодиоды были изготовлены за рубежом в 1962 году, а уже в 1968 году появились первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett Packard.

К 1976 году были созданы оранжевые, желтые и желтозеленые светодиоды такой мощности, что они были видны и при ярком солнечном свете. До 1985 года светодиоды использовались исключительно в качестве индикаторов. В 1990 году светоотдача полупроводниковых диодов достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать равноценной заменой обычным лампам накаливания. В настоящее время светоотдача составляет более 60 лм/Вт.

Принципиальная схема современного светодиода показана на рис. 50. В корпусе из прозрачной пластиковой линзы 1, служащей для фокусировки света, на специальный кристалло-держатель (основание) устанавливается полупроводниковый кристалл 3, свойства которого определяют цвет видимого света. К полюсам кристалла при помощи соединительных проволочек 2 подключаются контакты (катод и анод) от источника питания.

Рис. 50. Принципиальная схема светодиода: 1 — прозрачная пластиковая линза; 2 — контактные проволочки; 3 — излучающий кристалл (полупроводник); 4 — кристаллодержатель (основание)

Рис. 51. Схема светодиода (чипа) на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN (индий-галлий-азот/алюминий-галлий-азот/галлий-азот)

Рассмотрим принцип работы и процесс создания светодиодного прибора. Классическая схема изготовления светодиода заключается в следующем. На поверхности сапфирового кристалла (подложке) выращиваются кристаллические слои полупроводникового материала, например на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN (индий-галлий-азот/алюминий-галлий-азот/галлий-азот), толщиной от 100 нм до 4,5 мкм (рис. 51). Продолжительность эпитаксиального роста светодиодной структуры, способной излучать свет при пропускании через нее электрического тока, составляет около шести часов.

На полученной пластине методами фотолитографической обработки, реактивного ионного травления, вакуумного напыления и др. создаются светоизлучающие кристаллы для изготовления полупроводниковых приборов. При этом на одной пластине могут находиться до 4000 кристаллов, которые разделяются на отдельные кристаллы (чипы) лазерной резкой.

Полученные чипы монтируются на специальные электрические платы, где ультразвуковой сваркой осуществляется соединение контактных площадок кристаллов и электропроводящих элементов печатных плат. Кристаллы заливаются компаундом (затвердевающим составом) для надежной фиксации и защиты от внешнего воздействия.

Для изготовления готового светового прибора разработано два конструкторских решения:

• группу кристаллов монтируют на печатную плату, коммутируют, заливают компаундом, и в результате получается готовый светодиодный модуль;

• несколько дискретных (отдельных) светодиодов устанавливают на общую печатную плату.

Полученный блок светодиодов (матрица) в дальнейшем применяется для создания различной осветительной техники и приборов, в том числе для подводного использования.

Значительный интерес представляют разработки так называемых органических светодиодов (organic light emitting diode, OLED), основанных на различных формах зеленого флуоресцентного белка (GFD). В перспективе GFP могут быть использованы при создании мониторов, телевизоров, различных дисплеев и т. п., совершенно безвредных для окружающей среды и потребляющих ничтожно малое количество энергии.

В данной главе необходимо остановиться на уникальной разработке отечественных ученых и практиков из ракетнокосмической отрасли по созданию на околоземной орбите крупногабаритных солнечных отражателей.

Академик РАН Юрий Павлович Семенов в докладе «Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет» рассказал о некоторых результатах уникального эксперимента, который не был до конца реализован и, на наш взгляд, может быть успешно решен за счет новых достижений в области нанотехнологий.

Эксперимент заключался в реализации идеи использовать плоские космические отражатели для передачи световой энергии Солнца на поверхность Земли. Идея использования такого отражателя, а также солнечного паруса для межпланетных перелетов была высказана еще в 20-х годах Ф. А. Цандером. Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана в 1924 году в неопубликованном варианте статьи «Перелеты на другие планеты».

Наверное, любой из нас играл в детстве с «солнечным зайчиком», зеркалом направляя отраженный солнечный свет в темные уголки двора. Теоретически было рассчитано, что солнечные отражатели можно эффективно применять и для освещения отдельных участков Земли, если площадь рефлектора будет составлять 5000-10 000 м2 (рис. 52). При планировании эксперимента главной задачей являлось обеспечение минимизации массы отражателя и его автоматического развертывания из транспортного положения, а также последующее позиционирование на заданные участки земной поверхности.

Уже на тот период времени в распоряжении ученых были разработки по изготовлению зеркальных отражателей (рефлекторов) из полимерной металлизированной пленки нанометровой толщины. Устройство должно было развертываться в рабочее положение, а затем сохранять необходимую округлую форму с помощью центробежных сил, возникающих при вращении отражателя вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.

В начале 90-х годов прошлого столетия РКК «Энергия» приступила к практической реализации этой идеи, а в феврале 1993 года был проведен первый демонстрационный эксперимент «Знамя-2». После отстыковки грузового космического корабля «Прогресс М-15» от российской орбитальной станции «Мир» на консольной части «Прогресса» успешно развернули двадцатиметровый отражатель из алюминизированной пленки ПЭТФ-ОА толщиной 7 мкм и массой 4,2 кг (рис. 53).

Рис. 52. Подсветка ночной поверхности Земли ««солнечным зайчиком» (эксперимент ««Знамя-2»)

Рис. 53. Грузовой космический корабль ««Прогресс М-15» с солнечным отражателем в ходе автономного полета 4 февраля 1993 года (рисунок с сайта www.vivovoco.rsl.ru)

Формообразование бескаркасного пленочного отражателя, как и рассчитывали, осуществлялось центробежными силами, возникавшими при вращении барабана и принудительном сматывании секторов отражателя с катушек с помощью электромеханических приводов.

Анализ телевизионной и телеметрической информации, переданной в Центр управления полетами с орбитальной станции «Мир», подтвердил правильность принятых технических решений. Отражатель действительно смог осуществить подсветку земной поверхности отраженными солнечными лучами в автоматическом режиме на одном витке вокруг Земли. Эксперимент также подтвердил правильность основных принципов и расчетных методик, послуживших базой для разработки нового направления в создании крупногабаритных бескаркасных пленочных конструкций (солнечных отражателей и солнечных парусов). Казавшаяся фантастической идея направления солнечного света на отдельные участки Земли была реализована российскими учеными и конструкторами.

Через пять лет, 25 октября 1998 года, грузовой корабль «Прогресс М-40» с доработанной экспериментальной установкой «Знамя-2,5» на борту стартовал с космодрома Байконур в Казахстане. Новый отражатель был выполнен с учетом замечаний, поступивших в ходе первого эксперимента и имел диаметр 25 м. Подсветку земной поверхности планировали осуществлять в двух режимах: автоматическом и ручном — на 16 витках вокруг Земли при общей продолжительности эксперимента 24 ч. Диаметр светового пятна на Земле должен была составить 6–8 км, а яркость космического освещения — около 2–5 лунетт (в 2–5 раз выше освещения в полнолуние).

Начальный этап проекта «Знамя-2,5» прошел без замечаний, в строгом соответствии с запланированной программой эксперимента. Корабль был успешно выведен на орбиту и состыкован с орбитальной станцией «Мир», в составе которой находился до февраля 1999 года. Основной этап эксперимента по развертыванию отражателя начался сразу же после отстыковки грузового корабля от станции 4 февраля 1999 года. К сожалению, дальнейший его ход был прекращен из-за несогласованности в работе обеспечивающих систем (ошибки в автоматической программе управления кораблем). Команда на открытие антенны не была блокирована, полотнище отражателя зацепилось за эту открытую антенну и пришло в негодность.

В настоящее время остается неоднозначная оценка результатов проведенных экспериментов, а также подвергается сомнению целесообразность дальнейших исследований в этой области. Перед началом эксперимента «Знамя-2,5» на собрании Международного астрономического союза астрономы выражали беспокойство, что будут созданы помехи для наблюдения ночного неба, так как лучом рефлектора могут быть уничтожены чувствительные астрономические детекторы. Также высказывались опасения, что по аналогии с улицами городов и экранами телевизоров, вскоре и «романтическое» ночное небо будет не загадочно мерцать миллиардами звезд, а светиться лучами, которые будут проецировать рекламу на огромные площади, что впрочем вполне возможно.

Однако, по нашему мнению, реализация данной программы имеет громадное практическое и экономическое значение, например, для ночного освещения таких крупных городов, как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, освещения городов в высокоширотных районах, особенно в период долгой полярной ночи, а также для работ, проводимых в чрезвычайных ситуациях на больших и удаленных территориях.

В настоящее время российскими учеными из Консорциума «Космическая регата» ведется подготовка к осуществлению принципиально нового этапа данного эксперимента — «Знамя-3». Проект по-прежнему предполагает использование для вывода на околоземную орбиту конструкции солнечного отражателя отечественным грузовым кораблем «Прогресс». В конструкцию грузового отсека корабля будет встроен рефлектор солнечного отражателя диаметром 60–70 м, что уже в 2,5 раза превосходит предыдущие показатели. При этом современные возможности нанотехнологий по созданию тонких металлизированных пленок могут не только обеспечить изготовление экрана таких размеров, но и позволить значительно снизить общий вес конструкции.

Система следующего поколения солнечных отражателей должна состоять из группы (10–12 штук) космических рефлекторов (диаметром более 200 м), отражающих солнечный свет с орбиты высотой 1658 км (двухчасовая орбита) на ночную сторону Земли. При этом они будут способны последовательно обеспечить искусственное освещение нескольких больших городов с освещенностью до 40 лк (в 400 раз выше естественной освещенности в полнолуние). Общая площадь освещения может достигать десятков квадратных километров.

Также необходимо разработать и разместить на борту «Прогресса» электромеханическое и вычислительное оборудование нового типа для управления ориентацией корабля. Возможности современной нанотехнологической электроники способны обеспечить осуществление данных задач, что позволит осуществлять ориентирование корабля с более значительным моментом инерции без дополнительного расхода топлива реактивных двигателей.

Планировалось, что эксперимент будет повторно осуществлен еще в 2008 году в рамках прикладной научной программы Международной космической станции, но на данный момент он остается нереализованным.

Практические достижения современных нанотехнологий по созданию нанометрического пленочного полотна с большими габаритами и незначительной массой способны не только внести вклад в решение проблем энергосбережения, но и открыть совершенно новые возможности космонавтики. Тонкопленочные нанотехнологии в будущем позволят построить космические аппараты специализированного назначения (энергетические системы в космосе, парусные космические корабли, антенны-ретрансляторы, антенны-излучатели для аппаратов исследования дальнего космоса, противометеорные вакуумные экраны, гироскопические энергосберегающие системы и т. д.).

В заключение следует отметить, что в России у ряда политиков бытует мнение, что раз мы являемся богатой энергетической державой, то развивать альтернативные источники энергии, особенно возобновляемые, заниматься энергосбережением нецелесообразно и даже вредно. Однако это не так — катастрофическая зависимость российской экономики от невозобновляемых природных энергоресурсов, так называемая нефтегазовая игла, не только не стимулирует развитие в нашей стране энергоемких производств, но и в целом негативно сказывается на перспективах будущего России.

Наноразмерная электроника

Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.

Ральф Меркл (Ralph C. Merkle), профессор Технического колледжа штата Джорджия, США

Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники. Сегодня электроника представляет собой самую динамичную отрасль науки и техники. Она изучает физические основы (электронные и ионные процессы в газах и проводниках), а также практическое применение различных электронных приборов и устройств.

Приведем основные показатели, характеризующие мировой рынок электронной промышленности в долларовом эквиваленте:

• отрасли промышленности, связанные с электроникой, — 15 трлн;

• электронное оборудование — более 1 трлн;

• полупроводниковые компоненты — 205 млрд;

• полупроводниковое производственное оборудование — 30 млрд;

• материалы для производства полупроводников — 20 млрд.

При этом среднегодовые темпы роста рынка электронной промышленности и связанных с ней других отраслей составляют более 7 % в год.

Основными этапами развития электронных вычислительных машин явились следующие важнейшие достижения:

• разработка и создание первого компьютера на основе электронных ламп (ENIAC, 1945 год);

• изготовление первого транзистора (Bell Laboratories, 1947 год);

• выпуск первого компьютера на транзисторах (TRADIC, 1955 год);

• разработка первой интегральной схемы (Texas Instruments and Fairchild Semiconductor, 1959 год);

• изготовление первого мини-компьютера (DEC, 1965 год);

• сборка микропроцессора (Intel, 1971 год).

Рассматривая развитие интегральных схем, выделим следующие этапы:

• I этап (1959–1969 годы) — интегральные схемы малой степени интеграции (МИС), 102 транзисторов на кристалле размером 0,25x0,5 мм;

• II этап (1969–1975 годы) — интегральные схемы средней степени интеграции (СИС), 103 транзисторов на кристалле;

• III этап (1975–1980 годы) — интегральные схемы с большой степенью интеграции (БИС), 104 транзисторов на кристалле;

• IV этап (1980–1985 годы) — интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), 105 транзисторов на кристалле;

• V этап (с 1985 года по настоящее время) — интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции (УБИС), 107 и более транзисторов на кристалле.

Следует отметить, что в 1981–1982 годах создание и развитие микросхем со сверхбольшой степенью интеграции стимулировались наличием технологии литографии (электронно-лучевой, рентгеновской и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера), а также наличием производственного оборудования, и в основном определялись потребностями рынка. Наблюдался процесс их перепроизводства как в США, так и в странах Азии (Японии, Корее, Гонконге и т. п.)

Однако переход от УБИС к следующему поколению интегральных схем или какому-то новому устройству длится уже более четверти века и в настоящее время является сдерживающим фактором в дальнейшем развитии компьютерной техники.

В современных серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Поэтому на поверхности можно реализовать ситуацию, при которой 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержимое библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см (вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков).

В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого запаса времени. Необходимость скорейшего перехода на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя, а создать что-то принципиально новое на имеющейся технологической базе практически невозможно.

Однако, по данным социологических исследований, проведенных в 2005 году, лишь 13,9 % населения мира имеют доступ к Интернету. Отсутствие возможности использовать информационные ресурсы и технологии большинством жителей Земли отрицательно сказывается на уровне образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического благосостояния. Нанотехнологии позволят решить эту проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных батареях, встроенных информационных систем и т. д.

Вследствие действия различных факторов (как геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров (повышением компактности) объектов значительно уменьшается и продолжительность протекания разнообразных процессов в конкретной системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. При дальнейшем значительном сокращении размеров в поведении электронов начинают преобладать свойства волны, а не частицы. Вступают в действие законы квантовой механики, на смену битам приходят квантовые биты (qubit).

В 2004 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory) Ричард Шаллер (Richard Schaller) и Виктор Климов (Victor Klimov) экспериментально наблюдали в кристаллах селенида свинца нанометровых размеров явление, при котором при поглощении фотона создавались две электронно-дырочные пары.

Данное явление послужило толчком не только для исследований и разработки высокоэффективных солнечных модулей, но и создания концепции дисплея на квантовых точках.

В июне 2006 года американская компания QD Vision, созданная учеными Массачусетского технологического института, сообщила о создании первого в мире монохромного дисплея на квантовых точках (с разрешением 32x64 пикселя и толщиной 1,6 мм), излучающего красное свечение. Монохромность экрана генерировалась квантовыми точками размером всего около 5 нм.

Немаловажными достоинствами квантового дисплея являются отсутствие подсветки и (в связи с этим) пониженное энергопотребление, возможность отображения истинно черного цвета, недоступного жидкокристаллическим экранам, а также значительно более высокий спектр (до 30 %) отображаемой цветовой палитры.

Японские корпорации Fujitsu и Mitsui создали совместное предприятие QD Lasers, Inc. для создания коммуникационных лазеров на основе квантовых точек. В состав предприятия вошли специалисты Токийского университета, которые еще в 2004 году продемонстрировали квантовый лазер, передающий данные на скорости в 10 Гбит/с. Принципиальная схема устройства заключается в чередовании нескольких слоев арсенида галлия и арсенида индия с внедренными в него квантовыми точками (рис. 54).

Рис. 54. Принципиальная схема квантового дисплея: 1 — квантовые точки (InAs); 2 — полупроводник п-типа (GaAs); 3 — электрический ток; 4 — управляющие электроды; 5 — полупроводниковый раствор (GaAs)

Важнейшей положительной характеристикой лазерного излучения является строго определенная (когерентная) длина волны. Поэтому квантовые лазеры уже применяются в приборах массового потребления в качестве оптических дисководов Blu-ray и HD-DVD. Возможность создания компактного синего лазера появилась именно после конструирования монохромных лазеров на базе квантовых точек.

Однако следует отметить, что пока дисплеи на квантовых точках только разрабатываются, их основные конкуренты — дисплеи на органических и электролюминесцентных диодах (OLED-дисплеи) — уже являются реальным коммерческим продуктом.

Пионером разработок явилась компания Eastman Kodak. Органический дисплей, совместно разработанный в 2003 году компаниями Kodak и Sony, характеризовался следующими параметрами: размер экрана — 5,5 см, разрешение 521x218 пикселов, энергопотребление — 450 мВт, масса — всего 8 г при угле обзора 165°.

Японская компания Sanyo Electric первой применила дисплей в мобильных телефонах. В настоящее время работы многих компаний мира направлены на создание OLED-дисплеев для телевизионной техники и компьютерных мониторов. Так, специалисты тайваньской компании Chi Mei создали опытный образец с размером диагонали 50 см. Впечатляют успехи компании Samsung, создавшей телевизионный экран с диагональю 100 см с максимальной яркостью 600 кд/м2 и контрастностью 500:1.

По данным консультативной компании DisplaySearch, уже в первом квартале 2007 года в мире было продано порядка 19 млн OLED-дисплеев, что в 1,5 раза больше по сравнению с аналогичным периодом 2006 года. Это и понятно — OLED-дисплеи много дешевле жидкокристаллических дисплеев в отношении применяемых материалов и используемых технологий. По ряду прогнозов и оценок, к 2010 году улучшение параметров OLED-дисплеев по сравнению с уровнем разработок 2007 года составит от 5 до 50 %.

Конструктивно OLED-дисплеи напоминают квантовые дисплеи и состоят из тонких органических пленок, установленных между двумя тонкопленочными проводниками. Существуют две основные технологии изготовления дисплеев (осаждения органических материалов на подложку): нанесение жидких полимерных соединений со сравнительно большим размером молекул, а также конденсация низкомолекулярных соединений из паровой фазы. Цветность, эффективность и интенсивность излучения при этом в основном зависят от применяемых органических материалов.

Современные технологии уже позволяют создавать прозрачные OLED-дисплеи, изображение на которых наблюдается с обеих сторон. Прозрачность таких устройств, находящихся в нерабочем состоянии, достигает 70 % от обыкновенного стекла, что позволяет размещать их на ветровых стеклах самолетов и автомобилей, на окнах. Более того, подобные дисплеи можно вмонтировать даже непосредственно в линзы специальных очков суперагента ЦРУ, как в боевике «Миссия невыполнима-2».

Комбинация таких экранов на лобовом стекле и специальных камер, передающих на них изображение, позволит, например, пилотам самолетов или автомобилистам свободно двигаться без включения фар и освещения даже в ночное время.

Исследования и разработка органических светодиодов в России ведутся в ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон», НИИФП им. Ф. В. Лукина, НИИ «Волга» совместно с ОАО «Ангстрем» и НП «Поли-Эл».

Известно, что все многослойные нанотрубки — полупроводники. В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение Международной ассоциации производителей полупроводников (International Technology Roadmap for Semiconductors) от имени Международного комитета производителей. В нем говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. В ближайшие 10–15 лет может начаться массовый переход с кремния (основного материала в производстве полупроводниковых устройств) на углеродные нанотрубки. Так, фирма Fujitsu уже предложила практически пригодные радиаторы для охлаждения мощных процессоров, где использованы достижения нанотехнологий. Известный производитель жестких магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить путем сокращения зазора между считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитной поверхностью, например диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать часть пластины, где работает считывающая головка, что позволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и недорогие накопители информации емкостью несколько тысяч терабайт.

В Российской Федерации разработку и исследования приборов на базе углеродных нанотрубок ведут специалисты НИИ «Волга» (Саратов), а материалы для их получения разрабатываются в ИОФАН, МГУ, ИРЭ РАН. В Саратовском отделении ИРЭ РАН предложена технология получения углеродных нанотрубок методом магнетронно-плазменного распыления графита, а также разработан метод легирования нанокластерами олова в процессе роста углеродных нанокластерных пленок. Такие легированные структуры, полученные в газоразрядной плазме и неоднородных магнитных полях, значительно увеличивают срок службы и рабочий ток углеродных пленок.

Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические «магнитные элементы» — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографической записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.

Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологии. Эту разновидность компания назвала «памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках и не требующую постоянного питания» (NRAM — Nanotube-based/Nonvolatile RAM).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic , известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.

В 2005 году компания Apple Computer выпустила сотовый телефон-коммуникатор марки iPod Nano с нанотехнологическим чипом памяти NAND емкостью 4 Гб. Электронную базу iPod Nano составляют микрочипы от Samsung (Южная Корея) и Toshiba (Япония). Компания Samsung при производстве своей продукции использует полупроводниковые технологии с прецизионным уровнем (уровнем точности производственных манипуляций) менее 100 нм. Не случайно на настоящее время она является крупнейшим в мире производителем чипов флэш-памяти NAND и DRAM. При этом самые маленькие компоненты iPod Nano все же пока имеют размеры много более «психологических» 100 нм.

С каждым днем в мире накапливается все больше информации, и необходим рост вычислительных мощностей, предусмотренный первым законом Г. Мура (основателя корпорации Intel ). Еще в 1964 году Мур заявил, что если тенденция появления через каждые 18–24 месяцев новых, вдвое более мощных микросхем будет сохраняться, то общая мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет за относительно короткий промежуток времени. Поскольку до настоящего времени этот закон не нарушается, есть все основания предполагать, что и в ближайшее время положение не изменится. Более того, намечается тенденция к сокращению этого цикла до 15 месяцев, то есть следует ожидать, что возможности компьютеров будут удваиваться почти ежегодно.

Современные процессоры состоят более чем из миллиарда транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в 1000 раз. Цель будущего десятилетия — создать процессор с более чем одним триллионом транзисторов. Соотношение производительности процессора к аналогичному показателю процессора Pentium 4 будет примерно аналогично производительности современного компьютера по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.

Останавливаясь на развитии квантовой нанотехнологии, следует отметить наиболее важные направления электроники: разработку лазеров и мазеров. Уже сейчас на базе приборов квантовой электроники создаются устройства для радиоэлектроники и бытовой техники, лазерные указатели (рис. 55), приборы точного измерения расстояний (дальномеры), которые широко применяются в вооружении (например, лазерных прицелах и т. д.), квантовые стандарты частоты, гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии и т. п.

Рис. 55. Шариковая ручка с лазерной указкой (слева) и светодиодным фонариком (справа)

Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии и военных целях. Известны многолетние исследования американских военных ученых в рамках программы «звездных войн» (разработки систем противоракетной обороны — ПРО) по созданию высокоэффективного лазерного оружия для поражения космических и наземных объектов. Лазеры также находят широкое и самое разнообразное применение в биологии и медицине.

По прогнозам ученых, с помощью атомного лазера на основе конденсата Бозе-Эйнштейна можно будет вести изготовление микросхем, собирая их из атомов поштучно.

При использовании углеродных нанотрубок компьютер, эквивалентный современному образцу с 1 млн транзисторов, может иметь объем 0,01 мкм3, а компьютер с памятью 1 Тб — объем 1 мкм3. Как и в случае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода теплоты. Расчеты Дрекслера показывают, что при температуре окружающей среды около 300 К на 1 Вт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять приблизительно 1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объемом 0,01 мкм3) будет обеспечиваться производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.

В Институте квантовой оптики имени Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics) в городе Гархинг (Германия) был создан микрочип величиной с почтовую марку, помещенный в специальный резервуар. Этот чип содержит нанометрическую оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе-Эйнштейна. Такой микрочип может стать основой электронно-вычислительных машин шестого поколения с невиданным ранее быстродействием, называемых нейрокомпьютерами.

Нейрокомпьютеры состоят из множества работающих параллельно простых вычислительных элементов (нейронов), совокупность которых образует так называемые нейросети. Теория нейросетей позаимствована из биологии и впервые была высказана в работе американского профессора психиатрии и физиологии из Университета штата Иллинойс Уоррена МакКаллока (Warren Sturgis McCulloch) и его ученика, нейрофизиолога Уолтера Питтса (Walter Н. Pitts), в 1943 году. Ученые утверждали, что любую арифметическую или логическую функцию можно реализовать с помощью простой нейронной сети, обладающей высоким быстродействием именно за счет огромного количества нейронов. Нервная система человека состоит из отдельных клеток — нейронов, выполняющих простую функцию, но их количество в мозге достигает 1012. Продолжительность срабатывания нейронов составляет всего 3 мс, а их взаимосвязь обеспечивает эффективную работу человеческого мозга.

Однако следует отметить, что проект создания пятого поколения компьютеров на основе новой архитектуры с использованием языков логического программирования так и не был реализован. В то время как первый нейрокомпьютер (Mark I) был построен еще в 1958 году известным американским ученым в области психологии, нейрофизиологии и искусственного интеллекта Фрэнком Розенблаттом (Frank Rosenblatt). В настоящее время более полусотни нейрокомпьютеров уже запущены в промышленную эксплуатацию, а их разработка и совершенствование ведется во всех промышленно развитых странах, в том числе и в России.

Ник Бостром (Nick Bostrom), директор института при факультете философии, логики и научной методологии Лондонской школы экономики, в своей статье «Сколько осталось до суперинтеллекта?»[11] пишет, что человеческий мозг содержит примерно 100 млрд нейронов. При этом у каждого нейрона около 5 тыс. синапсов. Сигналы проходят через эти синапсы с частотой около 100 Гц, а любой сигнал ориентировочно содержит 5 бит.

Реальная величина не должна быть значительно выше этого значения, хотя может оказаться и много ниже. Существует мнение, что мозг обладает высокой (резервной) избыточностью, но при этом часто требуется синхронное возбуждение больших групп нейронов, чтобы сигнал не пропал в фоновых помехах. «Альтернативный способ вычисления общей производительности — рассмотреть некоторую часть коры головного мозга, выполняющую функции, которые мы умеем воспроизводить на цифровых компьютерах. Мы вычисляем среднюю производительность одного нейрона в области коры мозга, эквивалентную вычислениям с помощью компьютера, и умножаем это значение на количество нейронов в мозге», — пишет Н. Бостром.

Американский ученый Г. Моравек, используя данные о структуре сетчатки глаза человека, еще в 1997 году произвел необходимые вычисления и сравнил их с известными требованиями к компьютерным ресурсам в задаче распознавания образов в машинном зрении. Полученное значение для всего человеческого мозга оказалось равным 1014 операций, что на три порядка меньше, чем верхняя граница, вычисленная в предположении, что избыточности нет.

По мнению Бострома, трудно найти основание, заставляющее предположить, что избыточность в сетчатке больше, чем в коре. Если и есть отличие в избыточности, то скорее, наоборот, в сетчатке она меньше: распознавание образов — задача более низкого уровня по сравнению с высшими когнитивными процессами, а значит, более оптимизирована (эволюцией и индивидуальным обучением).

Требуемая вычислительная мощность должна была стать реальностью уже в 2008 году, если принять время удвоения по закону Мура равным 12 или 18 месяцам. Однако может пройти еще до десятка лет, прежде чем обычные ученые, исследующие возможности искусственного интеллекта, смогут получить шанс экспериментировать с машинами подобной производительности.

В своей книге «Дети разума» Г. Моравек, рассуждая о влиянии «закона Мура» на развитие цивилизации, предсказывает будущее робототехники. Он утверждает, что в 2010 году появятся модели роботов, чьи интеллектуальные возможности будут идентичны мозгу ящерицы. Они будут использоваться для уборки помещений без вмешательства людей и некоторых других целей. Так вот, этот порог уже достигнут, так как уже сейчас за рубежом серийно выпускаются роботы-пылесосы.

Моравек утверждает, что еще через 20 лет будут созданы модели с умственными способностями обезьяны. Такие роботы смогут без указаний человека определять простейшие технические и бытовые проблемы и задачи и самостоятельно их решать.

Достижение, позволившее ученому сделать такое заявление, — появление дронов с инновационными нововведениями.

Но самое главное, по мнению Моравека, в 2040 году человек сможет закачивать (подключать) свой мозг в компьютер, а после 2040 года будут изобретены роботы, чьи интеллектуальные возможности достигнут уровня умственных способностей людей, а затем, постепенно совершенствуясь, превзойдут их.

При составлении собственного прогноза известный американский ученый, изобретатель и футуролог 61-летний Рэймонд Курцвейл (Ray Kurzweil) уделил особое внимание генетике, нанотехнологиям, компьютерным и когнитивным технологиям, которые, как он считает, в относительно близком будущем смогут послужить залогом человеческого бессмертия.

Как пишет газета Daily Telegraph, Курцвейл считает, что нанотехнологии расширят умственные и физические способности человека, причем до такой высокой степени, что каждый из нас сможет написать книгу за считанные часы, проплыть под водой на одном вдохе огромное расстояние или пробежать стометровку быстрее мирового рекорда.

Следует отметить, что в 80-х годах прошлого столетия Курцвейл предсказал «взрывоподобный» рост Интернета в 1990-е годы и победу компьютера на чемпионате мира 1998 года по шахматам (ошибка составила один год — компьютер Deep Blue обыграл чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году).

Рей Курцвейл опубликовал две книги со своими футурологическими предсказаниями развития человеческой цивилизации: «Эпоха мыслящих машин»[12] (1992 год) и «Эпоха духовных машин»[13] (1998 год) с выводом о неизбежном наступлении технологической сингулярности ориентировочно в 2045 году.

Как и Моравек, Курцвейл утверждает, что к 2020 году персональные компьютеры достигнут вычислительной мощности человеческого мозга. В медицине начнут применяться нанороботы, которые будут не только выполнять лечебные функции, но и смогут доставлять питание непосредственно к клеткам человека и выводить продукты их жизнедеятельности, что в целом соответствует и нашим ожиданиям.

В 2030-е годы наноустройства будут имплантироваться непосредственно в человеческий мозг и смогут осуществлять ввод и вывод необходимых сигналов из клеток мозга. Реализация такой возможности приведет к виртуальной реальности «полного погружения», которая не потребует какого-либо дополнительного оборудования. В развитие данной концепции следует отметить, что, по нашему мнению, это приведет к отсутствию для человека необходимости предшествующего обучения и получения какого бы то ни было образования, в нашем понимании данного процесса.

Курцвейл считает, что в 2040-е годы человеческое тело сможет принимать любую форму, образуемую большим числом нанотехнологических устройств.

Еще через пять лет вся Земля войдет в эпоху превращения в один гигантский компьютер, который постепенно может распространиться на всю Вселенную. Дальнейшее развитие цивилизации даже Курцвейл предсказать затрудняется.

Позволим не согласиться с выводами американского футуролога. Как уже отмечалось, даже в настоящее время имеются группы людей, которые не только не поддерживают данные прогнозы, но и придерживаются противоположных взглядов. Наука, возможно, достигнет соответствующего развития, однако необязательно все человечество пожелает участвовать в этом процессе. Не случайно уже сейчас набирают популярность движение зеленых, вегетарианство, натуральное земледелие и подобные инициативы, способствующие сохранению аутентичности и неповторимого духовного мира человечества.

Рассуждая о создании искусственного разума (или даже суперинтеллекта), следует вспомнить шутку по этому поводу, что в лучшем случае суперкомпьютер откажется работать и найдет на это миллиарды убедительных причин, на то он и супермозг. В худшем — заставит работать на него окружающий персонал, а потом произойдет «восстание машин» в соответствии с американскими фантастическими боевиками. Такое развитие событий теоретически вполне возможно.

Несомненно только одно — электроника в настоящее время находится в стадии интенсивного развития, именно с ней связаны наибольшие ожидания в создании наиболее эффективных нанотехнологических разработок, появлении новых областей и создании новых направлений (устройств и оборудования) применения нанотехнологий в уже существующих сферах.

Наноструктурированные композиционные материалы

Воображение строит свои воздушные замки, когда нет не только хорошего дома, но даже сносной избушки.

Николай Гаврилович Чернышевский, русский публицист, литературный критик, прозаик, экономист, философ

Одна из отраслей промышленности, в которых нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это производство наноструктурированных композиционных материалов.

Основные разработки в этой области направлены на создание более прочных, легких и дешевых конструкционных материалов, улучшение уже имеющихся образцов, например металлоконструкций и бетона за счет их легирования нанопорошками, а также создание наноструктурированных композиционных материалов нового поколения (препрегов).

Композит (композиционный материал) — это многокомпонентный материал, состоящий из керамической, полимерной, металлической, углеродной или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и т. п.

Препреги — это своего рода машиностроительные и строительные полуфабрикаты на основе частично отвержденных слоистых наполнителей (стеклотканей, углеродных тканей), пропитанных термореактивным связующим.

Путем комбинации состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, а также пространственной ориентации наполнителя получают новые композиционные материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических характеристик.

Армирующие наполнители воспринимают основную часть нагрузки, действующую на весь конструкционный материал. Матрица на основе специальных смол в композите обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепловую, химическую, влаго-и огнестойкость.

Одним из наиболее известных и широко применяемых в промышленности композиционных материалов является углеволокно, или карбон. В качестве армирующей составляющей в нем выступает кевлар — самый прочный на настоящий момент полимерный материал в мире, работающий на растяжение (при работе на сжатие и изгиб его показатели много хуже). Для повышения механических характеристик волокна кевлара переплетают между собой под определенным углом, добавляя в них резиновые нити, а затем пропитывая всю тканевую конструкцию особыми эпоксидными смолами.

Композитный материал получает эти свойства именно после пропитки соответствующими смолами, которые, заполняя микро— и нанопустоты, соединяют волокна, образуя высокопрочную матрицу.

Пропитка осуществляется таким образом, что заложенные в армирующей основе свойства приобретают более высокие (на 30 %) физико-механические свойства. Нанокомпозиционные препреги можно успешно применять для изготовления корпусов самолетов и вертолетов, лопастей ветроэнергетических установок, строительных конструкций и т. д.

Например, американский самолет нового поколения Boeing 787 Dreamliner на 50 % по объему и на 20 % по массе состоит из композитных материалов, в том числе выпускающихся с применением российских технологий.

Как указывается в ряде источников, в новом отечественном авиалайнере Sukhoi Superjet 100 также используется около 1015 % композитных материалов, однако точно не известно, какие это материалы: углеволокно или стеклотекстолитовые и армированные стекловолокном панели.

Нанокомпозиты применяются и при изготовлении деталей автомобильной техники (бамперов, деталей кузова, салона и т. д.), спортивных товаров (рам велосипедов, шлемов, спортивного инвентаря и т. п.), товаров для туризма и отдыха (рыболовных удочек, элементов роликовых коньков и т. д.). Именно этот сегмент рынка обеспечивает самую быструю отдачу от вложенных средств.

В настоящее время мировой рынок композиционных материалов составляет 20,5 млрд долларов, из них только около 2 % принадлежит России. При этом восемь компаний производят около 90 % всей мировой продукции, а три крупнейших поставщика обеспечивают 66 % всего мирового рынка композитов.

Чтобы исправить значительное отставание, корпорация «РОСНАНО» одобрила первый в России интегральный проект «Препрег», цель которого — создание в Москве и Саратове самых современных производственных мощностей по выпуску препрегов широкой номенклатуры на базе нанотехнологий. Уже к 2011 году планируется производить более 300 т нанокомпозитных материалов стоимостью примерно 30 млрд рублей.

Говоря о практическом применении композиционных материалов в машиностроительной и строительной отраслях, следует остановиться на ветряной энергетике. Как известно, ее развитие сдерживается фундаментальной проблемой — тяжестью лопастей (рис. 56). Мощность установки критическим образом зависит от размера лопастей, что не позволяет повысить их конкурентоспособность.

Новые композиционные наноструктурированные материалы дают возможность увеличить длину лопастей «ветряка» более чем в два раза, что выводит их на эффективность, сопоставимую с традиционными видами генерации электроэнергии.

Все более активно нанотехнологии применяются в строительной индустрии и сопутствующих ей отраслях: производстве лакокрасочных и отделочных материалов.

Определенные успехи в области создания наноматериалов для строительства уже достигнуты. В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства разработаны и готовятся к промышленному производству новые наноразмерные модификаторы для строительных композиционных материалов.

Рис. 56. Ветряные энергетические установки — привычное зрелище в Западной Европе

На основе богатых месторождений необходимого минерального сырья в Пензенской области учеными разработаны наноразмерные строительные добавки: гидросиликаты кальция (14–40 нм), кремнеземсодержащий модификатор (17–20 нм) и органо-минеральные добавки (80–90 нм).

Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали новый строительный материал — нанобетон. Специальные добавки (модификаторы) — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают механические свойства обычного бетона. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50 %, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2–3 раза.

Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность (рис. 57). Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.

Рис. 57. Улучшение плотности нанобетона: слева — нанобетон, справа — обыкновенный бетон

Аналогичный пример приводит информационное агентство «Росбалт» в публикации «ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии», где указывается следующее: «Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, — это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент».

Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001-0,1 % способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности (марка D 250–300). Обеспечивается также повышение прочности и трещиностой-кости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6–2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.

Дополнительное преимущество разработки — уменьшение содержания в пенобетоне собственно цемента при неизменной прочности.

Новый бетон уже начали применять в строительстве (мост через Волгу в г. Кимры).

Авторы разработок заявляют, что применение наноразмерных строительных композиционных материалов позволяет экономить около 500 рублей на 1 м3 бетона в ценах 2009 года при сохранении и даже повышении его прочностных свойств. В целом по России экономический эффект может составить около 20 млрд рублей ежегодно.

В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практической реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.

Другое направление практического применения нанотехнологий в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса, и биоцидные материалы.

Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном Duravit AG.

На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт — покрытие для плитки Sekcid , разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid SA. — одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом Cleartec для душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.

В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска Kieselit-Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе мокрому истиранию (класс 1, согласно EN 13300). Комбинация пигментов наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски — грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.

Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают целым спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.

Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночастицами серебра подтверждено в натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафталевых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.

Один из примеров использования нанотехнологий — разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.

Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur .

Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта «грязных» частиц, в результате чего эти частицы меньше «прилипают» к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.

Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, во время дождя окрашенная поверхность смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. Гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, а новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту — общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобизации (рис. 58).

Рис. 58. Капля жидкости на наноповерхности эмали

Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению и самоочищающихся поверхностей и покрытий.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.

В настоящее время разработаны специальные пропитки и аэрозоли, позволяющие обрабатывать самые различные материалы: дерево, бумагу, ткань, кожу и даже каменную кладку. Производится специальный материал, получивший наименование «камень-лотос», который не утрачивает гидрофобный эффект даже после обработки шлифовальной бумагой.

Уже создано несколько материалов, позволяющих производить покрытия, которые обладают свойствами «маслобоязни». Они не увлажняются ни водой, ни маслом и могут квалифицироваться как ультрафобные материалы и покрытия.

Вице-премьер правительства России С. Иванов заявил, что пять российских компаний, получивших поддержку в рамках важнейших инновационных проектов, уже производят нанопродукцию в объеме более 8 млрд рублей в год. «Это не “нанопурга”, как иногда говорят критики», — отметил С. Иванов. Например, на «Северстали» уже приступили к серийному производству уникальных сплавов с двукратным улучшением эксплуатационных свойств. Эти материалы предназначены для сооружения конструкций, эксплуатируемых в экстремальных условиях, в частности при разработке нефтегазовых месторождений отечественного арктического шельфа. В настоящее время объем продаж составляет около 2 млрд рублей в год, но он может быть увеличен более чем в 100 раз.

Наноинженерия поверхности и изделий

Мы столько можем, сколько знаем. Знание — сила.

Фрэнсис Бэкон, английский лорд, философ, государственный деятель

Одним из направлений современных практических исследований, где нанотехнологии позволили добиться значительных результатов, является наноинженерия поверхности — научнопрактическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов и структур с заданными (прочностными, триботехническими, самоочищающимися и т. д.) свойствами либо аналогичных объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.

Фактически область, которую в настоящее время принято называть нанотехнологией в нашей стране, является наноинженерией и, частично, наноиндустрией на начальной стадии развития.

Рассматривая нанотехнологию (наноинженерию объектов) по Дрекслеру, следует иметь в виду, что именно это и называется технологией «снизу вверх», при которой более сложные объемы строятся из отдельных атомов, молекул и наноструктур. В отличие от такого подхода, технология «сверху вниз» предполагает получение малых изделий из больших объемов конструкционного материала.

По второму пути человечество следует со времен своего возникновения. Первобытной человек из большого камня путем неимоверных усилий изготовлял себе наконечник для стрелы, затем топор или мотыгу. Одного неверного движения было достаточно, чтобы многодневный труд пришел в негодность. Современное производство, особенно машиностроение, не говоря уже о ремонтном производстве, недалеко ушло с нижнего уровня в направление «верхних» технологий по Дрекслеру. При изготовлении ряда деталей в процессе механической обработки до четверти объема материала заготовок переводится в стружку.

Среди методов наноинженерии изделий главное место принадлежит созданию различных наноструктур и нанообъектов методами силовой зондовой микроскопии (СЗМ), основные методы которой представлены в табл. 11.

Таблица 11. Прикладные методы силовой зондовой микроскопии

С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомного силового микроскопа эти приборы из аналитических установок превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования поверхностей на нанометровом уровне. Основные факторы данных технологических процессов определяют локальные электрические поля (сравнимые с внутримолекулярными и атомными), супервысокие плотности токов и вызываемое ими электродинамическое воздействие, а также сверхплотные локальные потоки теплоты и механические деформации.

Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к регистрируемой локальной наномодификации или наноструктурированию поверхностей. При использовании сканирующих зондовых микроскопов как источника электронов для экспонирования электронорезистов и последующего проявления в стандартных растворах достигается разрешение до 50 нм. Так, методом, основанным на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии через мениск воды, разъединяющий зонд и подложку, были нанесены линии до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой.

Путем термомеханического стимулирования фазового перехода «полимер — стекло» обеспечивается формирование углублений в пленках поликарбоната размером до 100 нм. Термомеханическая литография является базовой идеей создания терабитных запоминающих устройств, разработанных компанией IBM.

Широкое распространение в зондовой литографии получил метод локального зондового окисления (оксидирования), который позволяет создавать оксидные области с типичными линейными размерами 3 нм (рис. 59).

Рис. 59. Схема процесса локальной нанолитографии (оксидирования)

Локальный управляемый межэлектродный поатомный массоперенос с применением силового туннельного микроскопа — в настоящее время единственный метод получения предельной миниатюризации при формировании наноразмерных объектов. Пример полученного изображения был ранее представлен на рис. 4, при этом полутона формируются поточечным оксидированием (с различным потенциалом) поверхности.

В настоящее время рассматриваются некоторые потенциальные технологии создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография, имеющая возможности преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная литография (наноимпринтинг).

В августе 2006 года в Колледж научных наноисследований и разработок (College ofNanoscale Science andEngineering (CNSE)) при Университете Олбани (США) голландской компанией ASML совместно с Nikon впервые в мире были поставлены установки ЭУФЛ — Alpha Demo Tool (ADT) стоимостью 65 млн долларов. Это оборудование было предназначено не для производства, а только для исследовательских целей. Установку интегрировали в нанотехнологический комплекс (Albany NanoTech Complex) международного промышленно-университетского консорциума International Venture for Nanolithography (Invent). Членами глобального консорциума Invent являются такие лидеры мирового рынка электронной техники, как IBM, AMD, Qimonda и Micron Technology. При этом в выполнении исследовательских программ ЭУФЛ в CNSE намерены также принять участие японские компании Sony и Toshiba.

Следующую демонстрационную ЭУФЛ-установку компания ASML поставила в бельгийскую исследовательскую организацию IMEC , которая заключила соглашение о совместном проведении экспериментов в области ЭУФЛ с исследовательской группой IMEC и американским CNSE. Вначале исследования будут проводиться в США на Олбанском нанотехнологическом комплексе CNSE, а затем — отдельными исследовательскими центрами в зависимости от готовности к работе соответствующего оборудования.

Общая цель участников проекта — показать достоинства и практическую возможность реализации ЭУФЛ для формирования 32-нм (и ниже) рисунка наноэлектронных приборов.

Корпорация Intel , один из лидеров в разработке электронного оборудования 32-нм технологии и потенциальный потребитель ЭУФЛ-установок, продолжила исследования различных методов совершенствования существующей лазерной 193-нм литографии для использования ее в более низком топологическом размере. Не получив вовремя необходимые материалы и оборудование для ЭУФЛ, корпорация в настоящее время рассматривает данный метод для возможной реализации 22-нм технологии ориентировочно только в 2011 году.

Японская компания Toshiba на установке Imprio 250 компании Molecular Imprints Inc. (США) методом наноимпринтинга изготавливает опытные образцы с суб-20-нм разрешением при 1-нм однородности воспроизведения критических размеров. Ее достижения в этой области заставляют чипмейкеров обратить на данную технологию пристальное внимание. В настоящее время инфраструктура и возможности импринтинга достаточно развиты в производстве светодиодов и жестких дисков.

В апреле 2007 года в США поступили в продажу компьютеры с емкостью жесткого диска 1 Тб (1012 байт). На нем можно разместить информацию, равнозначную 50 млрд печатных страниц (для производства такого количества бумаги необходимо было бы переработать около 50 тыс. деревьев), 380 ч (около 16 суток) видеоматериала в формате DVD, миллион фотографий в высоком разрешении или около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до двух лет беспрерывного прослушивания).

Вероятно, в наиболее быстрых и производительных компьютерах будущего будет использоваться именно наноэлектронная технология, возможно спинотроника или фотоника. Однако не исключено, что самые малые компьютеры создадут на принципиально другой элементной базе. По Э. Дрекслеру, такой базой может стать наномеханика. Им предложены механические конструкции для основных компонентов нанокомпьютера — ячеек памяти, логических байтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга.

К отдельному направлению нанотехнологических исследований следует отнести работы по формированию (наноинженерии) поверхности для получения заданных функциональных свойств с высокими прочностными и триботехническими характеристиками.

Для этих целей широко используется PVD-метод нанесения нанопокрытия (PVD — Physical Vapour Deposition — физическое парофазное осаждение) и CVD-метод (CVD — Chemical Vapour Deposition — химическое парофазное осаждение), причем CVD-метод нанесения принципиально проще реализовать. Поскольку осажденные слои временами имеют толщину слоя в диапазоне нескольких мкм, используются также термины «тонкопленочная техника», «тонкопленочная технология» и «тонкие пленки».

Технология химического осаждения (CVD-метод) практически не имеет ограничений по химическому составу применяемых для нанесения материалов, а следовательно, и структуре получаемых покрытий. При этом частицы могут быть осаждены на всю поверхность обрабатываемой детали. Участки, где покрытие не требуется, покрываются специальными защитными составами.

Осуществление CVD-метода при заполнении пространства реакционно-способным газом (кислородом, азотом или углеводородами) в результате химической реакции между атомами осаждаемых металлов и молекулами газа позволяет производить нанесение оксидных, нитридных и карбидных покрытий.

Для получения одинаковых свойств всего покрытия в объеме рабочей камеры (особенно большой) необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. С этой целью применяются специальные системы подачи газа — так называемый газовый душ.

Установки для CVD-метода, как правило, имеют достаточно большие габариты, на которых для предотвращения опасных выбросов технологических газов в атмосферу используются специальные системы высококачественных фильтров.

Технология нанесения нанопокрытий физическим методом (PVD-метод), при которой металлы, сплавы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии или бомбардировки частицами, заключается в том, что материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки (рис. 60).

К PVD-методам относят также ионное плакирование и катодное распыление (ионно-плазменное распыление). При реализации систем PVD применяются камерные печи сопротивления для создания глубокого вакуума менее 10-5 мбар (рис. 61).

Рис. 60. Схема PVD-метода нанесения нанопокрытия: 1 — дверь; 2 — обрабатываемая деталь; 3 — металлизатор; 4 — вакуумная камера (печь); 5 — трубопровод к вакуумному насосу; 6 — нагревательный элемент

Рис. 61. Вакуумная печь для нанесения нанопокрытий PVD-методом

С применением этой установки можно реализовать несколько вариантов метода (например, низкочастотное плазменноионное распыление — PECVD, PACVD), в том числе и для нанесения покрытий на пластмассы при низких температурах. Так, метод PCVD позволяет снизить температуру нанесения покрытия до температур, используемых при PVD-методе, и является комбинацией двух процессов.

Среди PVD-методов наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазмы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ). Возможность широкого варьирования температур в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов нанесения покрытий на инструменты из твердых сплавов. Эти методы оптимальны и как способ получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных и карбонитридных соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf.

В последнее время разработан метод ALD (Atomic Layer Deposition — атомно-слоевое осаждение), основанный на хемосорбции наносимых материалов из газовой фазы. Данный метод является циклично-дискретным.

На основе рассмотренных выше методов можно получить различные покрытия, обладающие самым широким спектром свойств (рис. 62).

Рис. 62. Различные комбинации получаемых покрытий: а) слоистые (двухкомпонентные) покрытия; б) многослойные (например, металлополимерные) покрытия; в) композиционные покрытия

Кроме получения обыкновенных защитных покрытий (анти-износных, противокоррозионных, декоративных и др.), эти методы позволяют добиться ряда уникальных свойств поверхности. Многослойные и композиционные покрытия применяются при изготовлении электролюминесцентных слоев и оптических фильтров, зеркал и т. п.

Рассмотренные технологии очень широко применяются для повышения стойкости инструментальных материалов (твердые сплавы, керамика и сверхтвердые материалы). При этом доля инструментов с покрытием, полученным CVD-методом, в 2005 году составляла около 41, затем снизилась до 38 %, а количество инструментов с покрытием, полученным PVD-методом, возросло до 15 %.

Особое место занимают технологии по наноинженерии лакокрасочного покрытия (ЛКП) автотранспортной техники. Внешний вид, качество и долговечность ЛКП автомобиля, несомненно, является отражением технического состояния всего транспортного средства, и к нему предъявляются очень жесткие и специфические требования.

Благодаря широкому диапазону свойств и эффектов, достигаемых при помощи нанотехнологий, в том числе «эффекта лотоса», в настоящее время имеется возможность обновления и защиты внешнего вида автомобилей при относительно низких затратах, что снижает расходы на эксплуатацию и повышает рыночную стоимость машины при перепродаже.

Более подробно о нанотехнологических разработках для автомобильной промышленности будет рассказано в следующей главе.

Говоря о чисто конструкционных задачах в наноинженерии поверхности, следует отметить работы, проведенные сотрудниками Университета Райс (США). Лауреат Нобелевской премии профессор Ричард Смолли и Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) в процессе целенаправленных исследований сделали определенный шаг вперед в направлении создания условий для самоорганизации (самосборки) нанотрубок в упорядоченную высокопрочную структуру (рис. 63).

Они установили, что, например, серная кислота способна воздействовать на поведение нанотрубок, а также жидких кристаллов в растворах таким образом, что они могут выстраиваться в более сложные, но изначально заданные (запрограммированные) структуры.

Рис. 63. Самоорганизация нанотрубок в упорядоченную высокопрочную структуру: F — внешняя нагрузка

Данными исследованиями уже заинтересовались вооруженные силы США, которые рассчитывают использовать материалы на основе упорядоченных нанотрубок для создания сверхпрочных пластмасс. Эти высокопрочные пластмассы могут быть успешно использованы для создания сверхлегких, но достаточно прочных летательных аппаратов, космической, автомобильной и другой военной техники.

По прогнозам ученых, в будущем наноинженерия будет осуществляться на специальных (крупных или портативных) нанофабриках с помощью нанороботов непосредственно из атомов или молекул.

В настоящее время такая идея кажется полной фантастикой, но кто бы мог подумать всего пятьдесят лет назад о возможности изготовления и повсеместного применения персонального компьютера (типа ноутбука), кроме самых смелых ученых в данной области. Что же тогда говорить о более отдаленном периоде времени.

Некоторые аспекты нанотрибологии

Трение — удивительный феномен природы! Оно подарило человеку тепло и огонь… возможность записать человеческий голос, услышать звуки скрипки и многое другое.

Д. Н. Гаркунов, доктор технических наук, профессор

Нанонаука и нанотехнология стали наиболее востребованными и престижными в последнее десятилетие, однако исследования в нанохимии и нанофизике ведутся уже около полувека, а ряд наноматериалов известен еще с древности. Уместно привести шутку одного из английских физиков, известного ученого в области микроэлектроники и сенсорных устройств, который сказал, что ученые «очень давно занимаются “этими штуками”, но только недавно им сказали, что это наночастицы». В примере истинно английского юмора содержится большая доля истины.

Трибология изучает контактное взаимодействие твердых тел при их относительном движении, включая комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки и самоорганизации. При этом следует отметить тот факт, что практически все вопросы трибологии связаны с изучением процессов, протекающих в поверхностном слое (межфазной границе) контактируемых деталей, толщина которых составляет от нескольких миллиметров до нанометрического атомного уровня.

При трении поверхностей деталей друг с другом, как при их смазывании (жидкостное и граничное трение), так и при его полном отсутствии (сухое трение) в зоне контакта происходит изменение их макроструктурного и наноструктурного строения, следствием которого является износ и разрушение трущихся поверхностей деталей.

Трение долгое время воспринималось как явление, приводящее к большим материальным потерям в экономике всего мира. Известно, что больше половины топлива, потребляемого автомобилями, тракторами, тепловозами и другими видами транспорта, расходуется на преодоление сопротивления, создаваемого трением в трущихся соединениях. Например, в текстильном производстве на преодоление сопротивления трения затрачивается около 80 % потребляемой электрической энергии. Низкие коэффициенты полезного действия большинства устройств обусловлены, главным образом, потерями на трение. КПД глобоидного редуктора, устанавливаемого в лифтах, металлорежущем оборудовании, шахтных подъемниках и др. даже и после приработки составляет только 0,65-0,70, а в такой распространенной паре, как винт-гайка, и того меньше: лишь 0,25.

Именно по причине нулевого КПД в 1775 году Французская академия наук приняла официальное решение об отказе рассматривать какие бы то ни было проекты «перпетуум-мобиле» — вечного двигателя, за более чем семьдесят лет до открытия закона сохранения энергии, со следующим объяснением: «Построение перпетуум-мобиле абсолютно невозможно. Если бы даже трение и сопротивление среды в течение длительного времени не смогли уничтожить двигательной силы, то эта сила могла бы произвести только эффект, равный причине… Если бы можно было пренебречь трением и сопротивлением среды, то тело, приведенное в движение, могло бы оставаться в движении, но не оказывать воздействие на другие тела, и «перпетуум-мобиле», который получился бы в этом гипотетическом случае (что в природе невозможно), был бы абсолютно бесполезен.».

Многие непонятные для своего времени явления с развитием нанонауки получили научное обоснование и дальнейшее практическое развитие. То, что трение является неравновесным термодинамическим процессом, было известно давно, но только в последние годы установлено, что при глубокой неравновесности и нелинейности возможна самоорганизация и образование при трении особых наноразмерных структур с уникальными трибологическими свойствами. Таким образом, выявилась возможность работы при более совершенной системе, чем трение при граничной смазке.

Открытие избирательного переноса (ИП) при трении, или так называемого эффекта безызносности, сделанное советскими учеными Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1956 году, позволило изменить сложившееся представление о механизме изнашивания и трения, но многие явления, характерные для него, оставались необъяснимой загадкой.

Совместное использование теоретических положений и практических достижений нанотехнологии позволяет объяснить многие протекающие при таком трении процессы и использовать его не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации.

Гаркуновым и Крагельским было обнаружено неизвестное ранее явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди в парах трения бронза-сталь деталей самолетов в условиях смазывания их спиртоглицериновой средой и консистентной смазкой ЦИАТИМ-201. Особенностью эффекта было то, что пленка покрывала не только бронзовую деталь, но и сопряженную с ней стальную поверхность. При этом образовавшаяся тончайшая медная пленка снижала износ и уменьшала силу трения в десять раз и более. Явление было названо избирательным переносом металла при трении (ИП), или «эффектом безызносности».

Как уже отмечалось, учеными было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

В дальнейшем при анализе условий работы и трущихся поверхностей деталей поршневого компрессора бытового холодильника было обнаружено аналогичное явление в паре трения сталь-сталь. В данном случае это являлось следствием растворения масло-фреоновой смесью медных трубок охладителя, находящихся на значительном удалении от зоны трения.

Сущность ИП, согласно обнаруженному явлению, заключается в том, «.что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения.». Это явление первоначально было названо «атомарным переносом». Позднее, в 1968 году, ИП был определен как «.вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый молекулярной составляющей силы трения. ИП возникает в результате протекания на поверхности контактирующих тел химических и физических процессов, приводящих к образованию самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и снижения коэффициента трения. Для этого явления наиболее характерно образование защитной (сервовитной) пленки, в которой реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам». Название «сервовитная» происходит от латинского servo vitte — спасать жизнь, что подразумевает предотвращение трущихся поверхностей от изнашивания.

Обнаружив необычное явление, но, не имея в то время необходимого инструментального оборудования, ученые не смогли в полной мере объяснить физическую сущность процесса и разработать теоретические аспекты прогнозирования условий, при которых возникает и протекает «эффект безызносности».

Проведенные в последнее время исследования указывают на то, что реальная толщина такой пленки не превышает 1000 А (100 нм), то есть данное явление с полной уверенностью можно отнести к проявлению нелинейных эффектов в наномире. Это незначительное уточнение позволяет объяснить многие процессы избирательного переноса при трении с позиций современной нанонауки и практически реализовать «эффект безызносности» трущихся поверхностей (не только медьсодержащих) с использованием последних достижений нанотехнологии.

Обращаясь за примерами к живой природе, можно обнаружить, что подобные соединения, обладающие высокой самоорганизацией процессов (а вследствие этого практически полной безызносностью), уже давно существуют. Суставы живых организмов десятки лет действуют на принципах, к которым современная наука только приближается, создавая так называемые интеллектуальные самонастраивающиеся подвижные соединения.

Строение сустава живого существа и пары трения бронза-сталь в условиях ИП достаточно близки (рис. 64). В суставе также работают два мягких хряща, покрывающих костную ткань и разделенных полимерной, можно сказать «сервовитной», пленкой. В качестве смазывающей среды выступает синовиальная жидкость.

Рис. 64. Схема работы сустава живого существа: 1 — синовиальная жидкость; 2 — костная ткань; 3 — оболочка сустава; 4 — хрящ с полимерной пленкой

Явление ИП объясняет причину, по которой компрессоры холодильных установок десятилетиями работают в тяжелейших условиях пуска-останова без отказов и, следовательно, без ремонта, да и практически без какого-либо технического обслуживания: в них образуется определенная самоорганизующаяся система, которая регулирует процессы изнашивания и регенерации трущихся поверхностей.

Чтобы теоретически объяснить процесс восстановления трущихся соединений при их непрерывной и длительной эксплуатации, наиболее важен механизм образования сервовитной пленки. Выявлено, что он может идти двумя путями. Первый характеризуется предварительным схватыванием и «намазыванием» медного сплава на поверхность стали с последующим обогащением сопряженных поверхностей трения медью вследствие избирательного растворения медного сплава и «намазанного» слоя с образованием квазижидкой пленки меди на обеих поверхностях трения. Второй путь связан с коррозией медного сплава и последующим атомарным переносом меди. В период намазывания коэффициент трения повышается, а затем (по мере выделения меди) постепенно стабилизируется и начинает уменьшаться, следовательно, схватывания не происходит.

Для образования сервовитных пленок в соединениях, не содержащих медных или других пластичных сплавов (цинка, олова, серебра, золота, палладия и др.), необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие рабочие жидкости, например топливо, промывочные и охлаждающие жидкости.

Одним из главных факторов, указывающих на наличие одновременного протекания при трении трибокоординации и трибовосстановительного распада, который приводит к самоорганизации фрикционной системы (пары трения), является автоколебание концентрации медьсодержащих продуктов в смазочном материале, то есть наличие определенной эволюции процессов в зоне контакта трущихся поверхностей.

В природе существуют фундаментальные явления, процессы, механизмы (на нано-, микро— и макроуровнях), связанные с физикой, химией, энергетикой поверхностей материалов, веществ и частиц. Возник даже раздел нанотрибология, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.

В результате исследований ученых трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы — оно в определенных условиях может быть реализовано как самоорганизующийся созидательный процесс, позволяющий разработать новые, ранее неизвестные методы восстановления деталей и технического сервиса машин. К ним, в частности, относятся: технология финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), методы ускоренной приработки (обкатки) деталей машин и оборудования, безразборное восстановление агрегатов и узлов техники при непрерывной работе и др.

На износостойкость трущихся поверхностей большое влияние оказывает их окончательная (финишная) механическая (абразивная) обработка, при которой уменьшается шероховатость (путем тонкого шлифования, плосковершинного хонингования, суперфиниширования, полирования и т. д.).

Конструкционные материалы, поверхности которых обладали бы одновременно высокими прочностными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, можно получить путем нанесения специальных наноструктурированных покрытий.

Для их нанесения или осаждения существуют различные технологии. В зависимости от комбинации «покрытие-подложка» и условий применения покрытия способы нанесения реализуются с помощью самых разнообразных установок.

В промышленности широко применяется метод фрикционного (с помощью трения) нанесения медьсодержащих покрытий — финишная антифрикционная безабразивная обработка. Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносятся в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей: коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различного вида штоки, пальцы, резьбовые соединения и т. д.

ФАБО используется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) был предложен Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским.

Основные способы ФАБО условно делятся на две группы.

1. Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение). Фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах с различными поверхностноактивными веществами и солями металлов, способными к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т. д. из неметаллического инструмента. Фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.

2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.

К разновидностям ФАБО относятся:

• химико-механическое нанесение покрытий (Россия);

• нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ);

• натирание поверхности латунью (Россия);

• электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);

• механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);

• химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других.

При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесением покрытий трением.

Использование ФАБО имеет следующие достоинства:

• небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии;

• стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения от оптимальных;

• автоматизация процесса;

• экологическая безопасность;

• высокая экономическая эффективность и др.

Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при достаточно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность. Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70–80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 65).

Рис. 65. Схема обработки поверхности детали вращений: 1 — деталь колесная пара; 2 — натирающий инструмент (латунь); 3 — приспособление; 4 — покрытие; Р — нагрузка прижатия; n — подача приспособления

ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной массой.

При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли пластичных металлов, например дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот.

Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности формируются защитные слои из хлоридов железа. Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.

При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. Согласно металлографическим и спектральным исследованиям, структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО состоит из четырех основных характерных зон: композиционного (медь, цинк, олово) антифрикционного покрытия, переходной диффузионной зоны, деформированной (наклепанная) зоны и основного конструкционного материала.

В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и триботехническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для «эффекта безызносности». Сервовитная пленка содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов.

Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления (рис. 66), полуавтоматы, автоматы и станки.

Рис. 66. Нанесение покрытия методом фрикционного латунирования на токарном станке

Рассмотрим режим фрикционной обработки детали прутковым инструментом: окружная скорость поверхности детали — 0,15-0,3 м/с; давление прижатия прутка — 10–50 МПа; продольная подача прутка — 0,1–0,2 мм/об; число рабочих ходов — 1–2.

Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в 3 раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала — вкладыш» в период приработки.

При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев.

Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в пять раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах.

По результатам стендовых испытаний двигателей СМД-62 (мощностью 180 КВт) с гильзами цилиндров и шейками коленчатого вала, обработанными методом ФАБО, получены следующие результаты:

• эффективная мощность возрастает на 8-12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшения качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма;

• давление масла в главной магистрали двигателя при номинальной частоте коленчатого вала повышается на 25–30 %, что указывает на более качественную приработку вкладышей коленчатого вала;

• износ деталей соединения снижается, в среднем, в два раза.

В ходе эксплуатационных испытаний двигателей, детали которых (гильзы цилиндров, коренные и шатунные шейки коленчатых валов) были обработаны с помощью ФАБО, получены следующие результаты:

• снижение средней интенсивности падения давления масла в главной магистрали дизелей на номинальной частоте вращения коленчатого вала в зависимости от наработки на 12,5 %;

• уменьшение содержания продуктов износа (железа) в пробах масла из картеров двигателей на 34,7 %;

• снижение расхода топлива на 5-10 %, что обеспечивает экономию 0,85-2,6 т топлива в год на один двигатель;

• уменьшение расхода моторного масла в 1,7 раза;

• увеличение межремонтного ресурса в 1,23 раза.

В перспективе возможность нанесения нанопокрытий методом ФАБО на стальные и чугунные детали позволит осуществить полную замену деталей из цветных сплавов.

В последние годы успешно развивается технология осаждения композиционных гальванических нанопокрытий (КГП). КГП получают из суспензий, представляющих собой электролит с добавкой ультрадисперсного порошка. При наложении электрического тока на поверхности покрываемого образца осаждается металл (первая фаза, или матрица) и частицы порошка (вторая фаза, или упрочнитель), которые заращиваются матрицей, образуя структуру покрытия. Вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждаются дисперсные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов, сульфидов, порошков полимеров и т. д. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий. Гальванические покрытия с дисперсной фазой обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для решения разнообразных задач.

В таблице 12 представлены обобщенные данные дисперсных материалов, обеспечивающих улучшение характеристик покрытий.

Таблица 12. Ультрадисперсные порошковые материалы для модифицирования свойств покрытия

Применение композиционных материалов позволило произвести на ряде машин и механизмов замену подшипников качения опорами скольжения и добиться значительно более высокого межремонтного ресурса по сравнению с серийными образцами. Более высокое качество восстановленных деталей объясняется большей площадью поверхности трения скольжения, а также меньшей толщиной вкладыша. В данной главе были рассмотрены только некоторые вопросы, в той или иной степени затрагивающие нанотехнологическую сущность трибологии. На самом деле спектр решаемых нанотрибологией проблем современности, несомненно, гораздо шире — это и космическая трибология, и функционирование подвижных соединений биологических существ, и т. д. и т. п. Более подробное рассмотрение всех этих исследований и практических разработок потребовало бы написания отдельной книги.

Нанотехнологическая автохимия

Около 4 % рынка будут занимать продукты, связанные с автопромом.

Тим Харпер, Консалтинговая компания в области нанотехнологий CMP Cientifica, Великобритания

Наноматериалы находят все большее применение в различных препаратах автохимии: ремонтно-эксплуатационных добавках к топливу и смазочным материалам, шампунях и полиролях. По имеющимся данным, в США затраты на производство присадок, используемых в топливно-смазочных материалах, с 60-х годов XX века возросли с 250 млн до более чем 1 млрд долларов.

Результатом многолетних исследований отечественных ученых и практиков стал тот факт, что трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы.

Совместное использование теоретических положений и практических достижений трибологии и нанотехнологии позволяет использовать трение не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации.

Впервые термин «безразборное восстановление» был официально применен и введен в 1993 году одним из авторов данной книги в связи с изобретением (а затем — патентованием) им и Г. К. Потаповым «способа безразборного восстановления трущихся соединений». В дальнейшем, на основании теоретических предпосылок и проведенных исследований было сформулировано и в настоящее время интенсивно развивается самостоятельное научно-техническое направление — безразборный технический сервис машин и механизмов.

Безразборный сервис может включать операции обкатки, диагностики, профилактики, химмотологического тюнинга, очистки и восстановления как отдельных трущихся соединений и агрегатов, так машин и механизмов в целом. Под ним подразумевается комплекс технических и технологических мероприятий, направленных на проведение операций технического обслуживания и ремонта узлов и механизмов без проведения разборочно-сборочных операций с применением передовых разработок автохимической промышленности.

Теоретическими предпосылками безразборного сервиса (восстановления) явились исследования в теории самоорганизации, предсказанной бельгийским физиком и физико-химиком русского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (лауреатом Нобелевской премии по химии 1977 года «За работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур»).

В прикладном плане безразборный сервис базируется на научных открытиях российских ученых. К ним, в частности, относится явление избирательного переноса при трении (эффекта безызносности), открытое и исследованное Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским.

Безразборный сервис транспортных средств — это результат дальнейшего развития исследований в этих областях. Термин стал широко применяться в многочисленных публикациях и нескольких монографиях по данному новому научнопрактическому направлению.

Следует признать, что аналогичные работы проводились и другими исследователями, но именовались по-разному: то металлоплакированием, то ФАБО-2, то способом обработки трущихся поверхностей и т. п.

Особое место, и это признали даже производители смазочных материалов, начав производство специальных моторных масел для автотранспорта с пробегом более 100 000 км, занимают методы и средства, предназначенные для частичного восстановления изношенных поверхностей трения узлов и агрегатов автомобиля в процессе непрекращающейся эксплуатации.

В классическом понимании процесс восстановления детали, соединения или машины в целом подразумевает проведение технических и технологических мероприятий, направленных на изменение геометрических размеров образца до номинальных (ремонтных) или на восстановление его работоспособности до нормативных показателей. Однако проводить ремонтные работы имеет смысл даже в том случае, когда наблюдается только частичное (неполное) выполнение этих требований.

В условиях недостатка финансовых средств у большинства населения, определенного дефицита доступных качественных топливно-смазочных материалов проблема поддержания в работоспособном состоянии отечественной и импортной техники может быть во многом решена за счет применения специальных ремонтно-эксплуатационных препаратов, в том числе разработанных на основе наноматериалов и нанотехнологий.

Известные автохимические препараты для безразборного сервиса автотракторной техники можно отнести к нанотехнологическим разработкам по трем основным критериям.

1. Применение в их составе наноразмерных частиц (ультра-дисперсные алмазы, металлические порошки, политетрафторэтилен (PTFE), модифицированный графит и т. д.).

2. Использование компонентов, полученных (произведенных) с помощью нанотехнологий, например золь-гель технологии (рекондиционеры).

3. Формирование на поверхностях трения вследствие взаимодействия с активными компонентами этих препаратов защитных наноразмерных (наноструктурированных) покрытий и структур (ионные металлоплакирующие присадки, кондиционеры, геомодификаторы) — рис. 67.

Несомненно, что все вышеперечисленные свойства в той или иной мере присущи практически всем ремонтно-восстановительным препаратам автохимии, применяемым для безразборного сервиса (восстановления) автотракторной техники. В одних случаях они являются определяющими, а в других могут быть отнесены к вспомогательным (дополнительным) эффектам. Например, во всех препаратах наряду с макрочастицами могут находиться и наноразмерные частицы.

Рис. 67. Механизм защитного (восстановительного действия) ремонтно-восстановительных нанопрепаратов автохимии: 1 — конструкционный материал детали; 2 — защитные наноструктурированные пленки (покрытия); 3 — смазочный материал с нанокомплексами

Известные в настоящее время ремонтно-восстановительные препараты (РВП) по компонентному составу, физико-химическим процессам взаимодействия с трущимися поверхностями, свойствам получаемых покрытий (защитных пленок), а также механизму функционирования в процессе дальнейшей эксплуатации автомобиля можно разделить на три основные группы: реметаллизанты (металлоплакирующие соединения), полимерсодержащие препараты и геомодификаторы.

К восстановителям, в основном, по критерию повышения технико-экономических показателей обработанной техники, следует условно отнести кондиционеры поверхности и слоистые добавки-модификаторы.

В некоторых случаях РВП называют еще ремонтно-эксплуатационными препарами (РЭП), что, на мой взгляд, точнее отражает их предназначение и функциональные свойства.

Практически все производители препаратов подкапотной автохимии выпускают также добавки к трансмиссионным маслам и пластичные смазки-восстановители.

Достаточно часто выпускаются РВП комплексного действия, например реметаллизант и кондиционер металла, полимерсодержащий препарат и слоистая добавка в одном флаконе. Встречаются препараты, разработчики которых заявляют о содержании в них практически всех ремонтно-восстановительных компонентов: тефлона, керамики, молибдена, а также еще каких-то полимерных и поверхностно-активных веществ.

Применение ремонтно-восстановительных препаратов определяется техническим состоянием автомобиля. При этом необходимость того или иного воздействия оценивается на основании результатов технической диагностики. По результатам диагностирования назначаются либо профилактические препараты, более «мягкого» действия, либо препараты, обеспечивающие более интенсивное воздействие на трущиеся соединения и агрегаты автомобиля.

Все препараты различаются по способам применения (введения в трущиеся соединения). Большинство составов вводят в моторные и трансмиссионные масла, топливо или пластичные смазки. Некоторые из них подают через систему питания (впускной трубопровод) в виде аэрозолей и добавок к топливновоздушным смесям — так называемая «специальная обработка». Ряд препаратов подается непосредственно в зону трения, например в цилиндропоршневую группу, и т. д.

Рассмотренные нанопрепараты позволяют значительно повысить износостойкость деталей, сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения, эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения, понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации. Разработки наиболее эффективны в условиях граничного трения, при высоких нагрузках и скоростях скольжения, повышенной температуре трения и «масляном голодании», характерных для изношенных трущихся соединений техники с большим сроком службы, а также в режимах приработки и перегрузках.

Образование устойчивых защитных металлических пленок — это достаточно продолжительный (постепенный) процесс, поэтому при испытаниях, а также штатной работе техники может не наблюдаться резкого (внезапного) улучшения эксплуатационных показателей, но обязательно отмечается их положительная динамика, существенно влияющая на повышение надежности и ресурса узлов и агрегатов техники.

В соответствии с вышесказанным, в настоящее время к нанотехнологическим препаратам автохимии для применения в качестве и присадок и добавок к смазочным материалам автотракторной техники следует отнести разработки, рассмотренные в следующих разделах.

Реметаллизанты

Механизм действия реметаллизантов заключается в металло-плакировании трущихся поверхностей в результате осаждения металлических компонентов, входящих в состав реметаллизантов во взвешенном или ионном виде. При этом частично восстанавливаются микродефекты, снижается коэффициент трения, значительно повышается износостойкость плакированных поверхностей (в некоторых случаях — в сотни раз).

Термин «металлоплакирующий» (от франц. plaquer — покрывать) введен Д. Н. Гаркуновым и его соавторами в связи с изобретением ими в 1962 году смазочного материала, реализующего эффект избирательного переноса при трении.

В настоящее время металлоплакирующие композиции (реметаллизанты) разделяются на порошковые и ионные. Порошковые препараты в качестве основного компонента содержат ультрадисперсные (наноразмерные) порошки, а ионные — полностью маслорастворимые соли пластичных металлов, органические кислоты, мыла жирных и нафтеновых кислот, жирные амиды, эфиры жирных кислот и спиртов, а также глицерин. В качестве плакирующих металлов используют медь, олово, цинк, железо, алюминий, свинец, серебро, хром, никель и молибден.

Металлсодержащие смазочные композиции, кроме порошкообразных металлов, обычно включают активные химические компоненты, способные образовывать с ними структуры, необходимые для реализации «эффекта безызносности». Активные компоненты смазочной среды получают в процессе трения или добавляют при приготовлении. Подтверждением этому служат смазочные композиции, содержащие альдегиды, которые способны при трении образовывать вещества, необходимые для формирования металлсодержащих соединений, например комплексов двухвалентной меди.

Все жирные кислоты (предельные и непредельные) являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Под действием ПАВ поверхности трения пластифицируются, что способствует быстрому созданию оптимальных шероховатостей трущихся поверхностей. При относительно высоких температурах порядка Т = 423–477 К на них образуются тончайшие медные структуры (толщиной около 100 нм) — «сервовитная» пленка. Под действием содержащихся в присадке активных групп СООН и компонентов смазочного материала на поверхности «сервовитной» пленки формируется полимерная пленка — «серфинг-пленка».

Впервые присадку, образующую медную пленку на трущихся поверхностях, в 60-х годах прошлого века разработали в Московском технологическом институте. Она состояла из продуктов взаимодействия 50 % олеиновой кислоты и 50 % олеата меди.

В 1979 году швейцарская компания Actex S.A. начала серийное производство металлоплакирующих порошковых препаратов марки Lubrifilm metal, основанных на практической реализации «эффекта безызносности». Почти через 13 лет, в 1992 году, Lubrifilm metal одним из первых препаратов автохимии этого класса был официально сертифицирован НАМИ (Научный автомоторный институт, Москва) и одобрен АвтоВАЗом.

В МГАУ им. В. П. Горячкина создана металлоплакирующая присадка-восстановитель «Ретурн Металл», плакирующая смазка NRW и ряд других препаратов этого класса, которые являются современными научно-техническими разработками в области самоорганизующихся наноструктур и «эффекта безызносности».

Механизм действия препаратов заключается в формировании на трущихся поверхностях нанокристаллической самовосстанавливающейся защитной пленки с минимальным коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания из активных компонентов препаратов и частиц износа. При этом обеспечивается восстановление нано— и микродефектов поверхностей трения и их работоспособности.

Наибольший эффект достигается в условиях граничного трения при высоких нагрузках и скоростях скольжения, повышении температуры трения (что характерно для изношенных трущихся соединений техники с большим сроком службы), режимах приработки и перегрузках.

Разработанные нанопрепараты позволяют значительно повысить износостойкость деталей, сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения, эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения, понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации.

Металлоплакирующая пластичная смазка NRW обеспечивает частичное безразборное восстановление микроизносов подшипников качения, скольжения и других смазываемых поверхностей.

Присадку «Ретурн Металл» также можно применять в качестве добавки к смазочно-охлаждающим техническим средам (СОТС) для улучшения качества поверхностей и повышения стойкости металлорежущего инструмента.

В настоящее время рядом научно-технических центров разрабатывается новое направление в автохимии и трибологии в целом. Это направление получило наименование «геотрибология» (от греческого геос — земля). Оно изучает трение, износ и смазывание в условиях применения различного рода минералов и других соединений геологического происхождения, имеющих микро— и наноразмеры.

Цель работ в этом направлении — создание специальных добавок в топливно-смазочные материалы на базе металлокерамических соединений, которые смогли бы вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения. Подобные добавки должны также обладать высокими антифрикционными и противоизносными свойствами.

Геомодификаторы

Препараты автохимии на основе минералов естественного и искусственного происхождения (нано— и микроуровня) называются «геомодификаторами», «геоактиваторами», «ремонтновосстановительными составами» (РВС-технология) или «ревитализантами». Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, они инициируют процесс формирования на трущихся поверхностях металлокерамической наноразмерной структуры с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.

Началом исследований в данном направлении стало необычное явление, обнаруженное при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых серпентинитом (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.

Серпентины — группа природных минералов. Встречаются они в нескольких видах. Все серпентины — зеленые минералы, слагающие жирные на ощупь массивные агрегаты со слоистой структурой, отдаленно напоминающей графит, которые различимы лишь под электронным микроскопом.

Формула серпентина — Mg6[Si4O10](OH)8, или зMg02Si022H20, или (Мg0Н)6Si40llН20. Компонентный состав серпентина:

МgО — 43 %, SiO2 — 44 %, Н2О — 12,1-12,9 % (в серпентине содержится около 13 % конституционной воды; конституционная вода представлена в минералах ионами гидроксила (ОН) — и в единичных случаях ионами Н+, располагающимися в узлах кристаллической решетки). Эта вода прочно удерживается минералами при комнатной температуре, но выделяется при нагревании в температурном интервале 300-1300 °C. Выделение воды сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала.

Кристаллизационная (или кристаллогидратная) вода содержится в минералах (например, в гипсе — Ca(SO)42H2O) в виде молекулы Н2О, которая входит в структуру минерала. Серпентин (хризотил, лизардит или антигорит) не содержит кристаллизационной воды, поэтому объяснение, согласно которому противо-износный эффект от вводимого серпентина в смазочную среду возникает в зависимости от количества кристаллизационной воды, является несостоятельным.

Отличие между компонентами серпентина, скорее всего, заключается в параметрах кристаллической решетки. Рентгенофазовый анализ геомодификаторов показывает, что эти составы бывают двух видов: один содержит 75–80 % лизардита и 10–15 % хризотила, другой содержит 10–15 % лизардита и 75–80 % хризотила.

Все слоистые силикаты состоят из двух сеток [Si2O5]2-, соединенных катионами в компактные пакеты состава [Si4O10]4-. Особенность каждой сетки [Si2O5]2 — наличие нескомпенсированного электростатического заряда. Данная особенность обусловлена тем, что сетки из кремнекислородных тетраэдров имеют одну свободную валентность. Это определяет появление тетраэдров отрицательного заряда только на одной стороне сетки. В сдвоенных пакетах [Si4O10]4- отрицательные заряды обеих сеток направлены внутрь пакета и скомпенсированы катионами Mg. Фактически в слоистых пакетах [Si4O10]4- между двумя сетками состава [Si2O5]2- располагается бруситовый слой Mg^^. 2 5

Специфическое строение слоистых силикатов — наличие пакетов, состоящих из гексагональных сеток-слоев, которые очень слабо связаны друг с другом, определяет и свойства этих минералов: низкую твердость, весьма совершенную спайность и расщепляемость на тонкие пластинки.

Изучение данного явления было организовано в конце 80-х годов прошлого столетия в институте «МеханОбр» (Ленинград) под руководством академика Владимира Ивановича Ревнивцева. Учеными было установлено, что данный эффект является следствием разложения серпентина в зоне бурения с дополнительным выделением большого количества тепловой энергии. Вследствие этого наблюдается разогрев материала шарошки бурового долота, диффузия в него разложившихся элементов минерала и образование композиционной металлокерамической структуры, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.

В настоящее время геомодификаторы используют для проведения ремонтно-восстановительных работ техники с большим пробегом в процессе непрерывной эксплуатации, но иногда — в целях интенсификации процесса, повышения качества приработки и износостойкости деталей — их применяют и на новых двигателях.

Восстановление и упрочнение подвижных соединений геомодификаторами осуществляется за счет формирования на поверхностях трения структур повышенной прочности, подавления процессов водородного изнашивания и охрупчивания металла, повышения термодинамической устойчивости системы «поверхность трения — смазочный материал». Поверхностно-активные вещества (ПАВ) металлокерамического восстановителя после введения их в системы двигателя химически (катализ) и физически (суперфиниш) подготавливают поверхности трения, очищая их от нагара, оксидов, отложений и т. д. Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, ПАВ инициируют процесс формирования металлокерамического покрытия с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.

Кондиционеры (рекондиционеры)

В отдельную группу РВП выделяются кондиционеры металла (поверхности). К этой группе вообще следует отнести целый спектр различных препаратов автохимии на базе поверхностно-и химически активных веществ, в том числе традиционно применяемых в смазочных материалах, но официально не именуемых «кондиционерами».

Собственно, смысл словосочетания «кондиционер поверхности» применительно к автохимии можно интерпретировать как препарат и механизм воздействия на процессы трения и изнашивания, позволяющий восстановить антифрикционные и противоизносные свойства, а также химический состав (состояние) поверхностей трения, доставляя необходимые компоненты (среды или энергии) за счет введения химически активных веществ.

По имеющимся данным, один из главных компонентов автомобильных кондиционеров поверхности — галогенированные производные углеводородов. Эти химически активные углеводороды являются соединениями, полученными замещением в структурной формуле углеводорода одного или более атомов галогена (хлора, фтора, брома, йода) равным числом атомов водорода. К активным компонентам таких присадок следует отнести также ряд соединений серы и фосфора.

Наиболее часто в кондиционерах металла применяются хлоропарафины, отвечающие по составу предельным углеводородам или парафинам СпН х (2n + 2), в которых один или несколько атомов водорода замещены хлором. Из химических свойств хлоропарафинов наиболее важным и характерным для них является чрезвычайная подвижность атомов хлора, вследствие чего при действии соответствующих агентов они способны обменивать хлор на водород или другие атомы и группы. Способность эта обусловливает широкое применение хлоро-парафинов для разнообразнейших синтезов, в том числе для препаратов автохимии. Они используются в моторных маслах как компонент полифункциональных присадок для обеспечения синергизма триботехнического действия различных присадок.

Все эти вещества входят (или могут входить) в состав РВП группы кондиционеров металла. На основании проведенного анализа компонентного состава кондиционеров металла следует сделать вывод, что механизм их действия основан на физической адсорбции, хемосорбции и химическом взаимодействии ПАВ с поверхностями трения.

Механизм физической адсорбции заключается в том, что полярные молекулы кондиционера удерживаются на трущихся поверхностях силами Ван-дер-Ваальса, образуя достаточно прочные перпендикулярно расположенные к трущимся поверхностям слои, способные выдерживать высокие нормальные нагрузки и имеющие низкое сопротивление к действию касательных напряжений.

Хемосорбция основана на удержании на поверхности металла молекул кондиционера химическими связями, при этом атомы металла не покидают свою кристаллическую решетку и не вступают в химические реакции. В результате на поверхностях трения образуются молекулярные пленки физического (адсорбция), химического (хемосорбция) строения, а также ряд химических соединений.

Физическая адсорбция и хемосорбция протекают практически одновременно. Например, адсорбция жирных кислот при нормальных температурах носит физический характер, а при высоких температурах — химический. Поэтому, с одной стороны, за счет физической адсорбции кондиционеры поверхности способны образовывать достаточно прочные слои ориентированных молекул смазочного материала, работающих при низких температурах. С другой стороны, в результате хемосорбции, за счет образования в смазочном материале, например, активных ионов хлора (при применении хлоропарафинов), на поверхностях трения образуются устойчивые пленки, а в смазочном материале — маслорастворимые или твердые химические соединения, состоящие из хлоридов, фосфатов, иодидов, сульфидов и т. д.

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O;

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O.

Большая скорость их образования обеспечивает быстрое восстановление таких пленок в местах разрушения граничного слоя базового смазочного материала, обеспечивая защитный режим трения во фрикционном контакте вплоть до температуры плавления.

В результате трибохимических реакций (образования, распада и восстановления в зоне трения соединений металла с активными молекулами продукта) эти кондиционеры образуют защитный граничный слой (20–40 нм). Защитный слой приобретает пластичные и упругие свойства, антифрикционные качества и стойкость к высоким нагрузкам.

Образовавшиеся хемосорбированные структуры и химические соединения на поверхностях трения, обладающие относительно высокой прочностью и стойкостью, защищают поверхности от непосредственного механического и теплового контакта и препятствуют взаимной адгезии.

Наиболее известным представителем этой группы РВП является антифрикционный кондиционер металла Energy release, разработанный американской компанией Entech Corp. в рамках абсолютно закрытой программы по созданию самолета-невидимки Stealth. Он был создан специально для турбин реактивных двигателей и других узлов и механизмов, работающих в сверхтяжелых условиях, когда обычные СМ не обеспечивали необходимых свойств.

В последнее время на смену кондиционеру металла Energy release пришла новая американская разработка — синтетический кондиционер металла SMT-2, обладающий, по данным фирмы-производителя, более высокими антифрикционными свойствами.

Научно-производственная компания «Лаборатория трибо-технологии» разработала и выпустила аналог данного препарата, рекондиционер металла Fenom, который в настоящее время входит в целую группу различных продуктов для автохимии (рис. 68).

Рис. 68. Нанотехнологическая автохимия российско-американской компании «Лаборатория триботехнологии»

Особенность кондиционирования металла при использовании препарата Fenom заключается в дополнительном пластифицировании поверхностей трения и формировании на них тончайшего слоя, близкого по свойствам к «сервовитной пленке», характерной для «эффекта безызносности». Это обусловлено избирательным растворением веществами кондиционера легирующих элементов конструкционного материала детали и образованием структуры, состоящей из чистого железа с включенными в него остаточными фазами углерода.

При этом контактируемые участки покрываются достаточно устойчивыми полимерными и полиэфирными структурами, создавая эффект прочной «масляной шубы», способной исключить непосредственный контакт трущихся соединений между собой. Это позволяет существенно снизить потери на трение в подвижных соединениях и интенсивность их изнашивания, в том числе при пуске, разгоне, режимах перегрузок и т. д.

Fenom обеспечивает реальный эффект при концентрации всего 3 % объема моторного масла, в то время как многие другие препараты подобного назначения вводятся в пропорции до 25 %, что может нарушить сбалансированный состав масла. Препарат можно заливать в двигатель, коробку передач, задний мост и т. д. в любой момент и при любом пробеге автомобиля. Количество препарата для каждого конкретного агрегата указано в инструкции.

Научно-производственная фирма «Лаборатория триботехнологии» впервые в мире разработала препараты (Old Chap, Ten-sai) на основе наноразмерных комплексов органосорбента, полученных по золь-гель технологии из бентонитовых глин.

Бентонитовые глины получили название от форта Бентон, расположенного в штате Вайоминг (США), где в конце прошлого века была начата их первая промышленная добыча. В дальнейшем практический интерес к бентонитовым глинам значительно возрос, и их месторождения были разведаны почти на всех континентах нашей планеты. Так, монтмориллонит — главнейший минерал бентонитовых глин — получил название от города Монтмориллон (Франция), вблизи которого был впервые обнаружен.

В качестве бентонита используют монтмориллонит, а для получения органобентонита — бентонитовые глины Саригюхского месторождения (Армения) и ряда других месторождений в различных регионах мира. Затем их обогащают, перерабатывают и выпускают в виде бентонитовых порошков.

С помощью органобентонита можно создавать системы из компонентов, которые в обычных условиях несовместимы. Они способны, например, удерживать в воде или в масле специальные вещества или химические элементы — носители определенных заданных свойств. Данные добавки представляют собой тонкодисперсную структуру частиц бентонитовых глин, предпочтительно монтмориллонитов, полученных в результате модификации этих глин различными соединениями поверхностноактивных веществ.

Препараты получили наименование рекондиционеров — составов, способствующих возвращению условий трения и изнашивания к нормальному состоянию. Наряду с образованием на поверхностях трения защитных слоев они дополнительно способствуют повышению несущей способности (прочности) масляной пленки. Полимолекулярная система препарата, включающая в себя наноразмерные комплексы (кластеры) органических веществ, структурирует граничную масляную пленку и увеличивает адгезию масла к металлу.

Входящие в состав приработочных присадок (Lubrifilm Diamond Run In, Fenon Nanodiamond Green Run и др.) наноалмазы (диаметром 4–6 нм) и кластерный углерод структурируют масляную пленку, увеличивают ее динамическую прочность, упрочняют кристаллическую решетку поверхности металла, формируют новые поверхности трения, уменьшая граничное трение и износ (особенно при больших нагрузках и дефиците смазочного материала). В результате сокращается время обкатки и оптимизируется качество трущихся соединений, улучшается работа двигателя, экономится топливо и масло, а также снижаются вредные выбросы, и упрощается запуск двигателя.

Алмазные наночастицы в зависимости от условий применения могут выступать либо в виде тончайшего абразива, либо в виде эффективного модификатора трения. Оказалось, что алмазная шихта (промежуточный продукт получения наноалмазов) чрезвычайно эффективна в виде добавок к моторным и трансмиссионным маслам, консистентным смазкам и смазочноохлаждающим технологическим средам. Различный набор наночастиц алмазной шихты оказывает сильное структурирующее действие как на поверхности трения, внедряясь в поверхности деталей и армируя ее, так и на смазочный материал, изменяя его характеристики.

Как ни парадоксально, но алмазосодержащая смазочная композиция обладает высокими антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами, наряду с высокой коллоидной стабильностью. Содержание ничтожного количества наночастиц в рабочей среде (всего 0,01-0,003 %) обеспечивает мягкую безабразивную приработку деталей двигателей и трансмиссий.

Препараты на основе наноалмазов изменяют реологические свойства масла и реализуют безабразивную трибохимическую приработку не за счет скалывания и разрушения микрошероховатостей поверхностей трения, а посредством пластифицирования, деформирования (вдавливания) и наклепа микровыступов шероховатости поверхности. При этом в период обкатки обеспечивается экономия топлива до 8 %, а моторного масла — до 10 %.

Рассмотренные нанотехнологические препараты автохимии обеспечивают комплекс самых различных положительных характеристик. Они позволяют:

• значительно (в 1,5–2 раза) повысить износостойкость и задиростойкость деталей двигателей, трансмиссии и рулевого управления;

• сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения; повысить их межремонтный ресурс до двух раз;

• поднять мощность двигателя до 5 % (за счет повышения компрессии (табл. 13) и снижения потерь на трение), снизить расход топлива и смазочных материалов на 5-10 %;

• уменьшить вредные выбросы в атмосферу до двух раз;

• понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации;

• снизить затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт автомобильной техники.

Немаловажным фактором, несомненно, может являться косвенная экономическая эффективность от внедрения ремонтно-восстановительных технологий, получаемая при снижении времени простоя техники, а также ряд субъективных факторов, связанных с более безотказными и комфортными условиями эксплуатации автомобиля.

Некоторые из известных нанотехнологических препаратов для применения в смазочных материалах представлены в табл. 14.

Таблица 13. Результаты безразборного восстановления работоспособности отечественной автомобильной техники

Примечание. Кд — средняя компрессия в цилиндрах до применения препарата; Кп — средняя компрессия в цилиндрах после применения препарата.

Таблица 14. Характеристика нанопрепаратов для моторного масла

Топливные нанопрепараты

«Расходы на топливо для машин, считающихся у нас в России десятками миллионов, заслуживают самого серьезного внимания. Причиной увеличения расхода топлива на 5-10 % могут стать неудовлетворительные условия смазывания, а это выразится в народном хозяйстве потерями миллионов рублей. Таковы теперь причины, заставляющие наших техников обратить свое внимание на правильный выбор смазочных материалов», — писал Н. П. Петров в своей ставшей классической работе, вышедшей еще в 1883 году и удостоенной Ломоносовской премии Российской академии наук.

Ремонтно-восстановительные препараты для моторного топлива на основе нанотехнологий в основном применяются для повышения эксплуатационных и экологических качеств бензина и дизельного топлива, а также для профилактической очистки систем подачи топлива (карбюраторов, инжекторов, форсунок, топливопроводов), впускных клапанов двигателей, систем выпуска отработавших газов (каталитических нейтрализаторов). Мероприятия, направленные на повышение этих свойств, объединены в понятия «химмотология» и «автохимический тюнинг» топлива или двигателя.

Один из основных показателей качества топлива — его удельная теплота сгорания, которая у любого углеводородного топлива не превышает 44 МДж/кг (10,5 тыс. ккал/кг). Для повышения других показателей качества топлива применяются различные добавки, которые направлены на повышение октанового (октан-корректоры) и цетанового (цетан-корректоры) числа, снижение токсичности и дымности выхлопных газов, а также (частично) на ослабление коррозионных процессов.

Повышение эксплуатационных свойств различных видов топлива может быть достигнуто путем введения различных металлсодержащих добавок. При этом большое значение имеет дисперсность частиц металла: чем они меньше, тем эффективнее их применение. Это открывает серьезные перспективы в использовании металлических наноматериалов в качестве добавок к различным видам топлива. Полезный эффект достигается также при применении в составе добавок современных моющих компонентов, химических нанокатализаторов и регуляторов горения топлива. Чаще используют многокомпонентные композиции, при этом каждый компонент выполняет свою функцию. Для повышения эффективности сгорания дизельного топлива можно использовать многокомпонентную композицию, в состав которой в качестве одного из компонентов входят соли магния, кальция, марганца, меди или алюминия, в качестве другого — различные поверхностно-активные вещества, а в качестве третьего — стабилизирующие и солюбилизирующие (растворяющие) компоненты, которые способствуют хорошей растворимости композиции в дизельном топливе.

Среди различных присадок к дизельным видам топлива определяющее значение имеют присадки, которые способствуют окислению топлива и его самовоспламеняемости при оптимальном цетановом числе, что оказывает существенное влияние на пусковые свойства дизеля.

Таким образом, наиболее распространенный и эффективный способ снижения содержания твердых частиц в выхлопных газах, образующихся при работе дизельных двигателей, — использование композиционных антидымных присадок, содержащих ионы марганца и меди с карболовыми и дикарбоновыми кислотами.

Один из путей уменьшения вредных выбросов в отработавших газах автомобиля — введение в моторное топливо наноразмерных частиц оксида церия. Соответствующая технология Fuel Borne Nanocatalyst разработана английской фирмой Oxonica при Оксфордском университете. Специалисты фирмы создали добавку в топливо Envirox, представляющую собой наноразмерные частицы оксида церия в органической основе. Находясь в составе топлива, эти частицы обеспечивают более полное сгорание углеводородов и уменьшение вредных выбросов. Рабочая концентрация оксида церия в топливе — пять миллионных долей на литр, то есть на железнодорожную цистерну топлива достаточно 150200 г нанопорошка. Эффект от применения добавки Envirox — экономия топлива до 10–15 % и резкое снижение содержания оксидов азота. Филиппинская топливная компания Independent

Philippine Petroleum Co. с марта 2005 года производит и реализует экологически чистое топливо Diesel Premium Plus.

Аналогичные работы по изучению каталитических свойств наночастиц оксидов церия и циркония ведутся в Брукхейвенской национальной лаборатории Управления энергетических исследований и разработок США. В марте 2006 года на очередном Национальном семинаре Американского химического общества было показано, что наночастицы оксидов, попадая на поверхность каталитического конвертера, действуют как буфер, поддерживающий каталитическую эффективность на одном и том же уровне независимо от режимов работы двигателя.

Многие европейские производители (в том числе Daimler Chrysler AG, BASF AG, Iveco S.pA., Total SA, Renault Trucks, Volvo Trucks) выступили с совместным заявлением об участии в проекте SCR (разработке селективной каталитической очистки выхлопных газов — Selective Catalytic Reduction ). В катализатор добавляется аммиак, превращающий оксиды азота в азот (основу воздуха) и водяной пар. Вероятно, для соответствия строгим нормам стандарта Euro-4 будет использована именно технология SCR , хотя для этого потребуется модернизация всей автозаправочной инфраструктуры мира.

Технология SCR с реагентом AdBlue (рис. 69) идеально сочетает экологические требования и экономичность. Она уже используется в пределах всей Европы, поскольку:

• применима к дизельным топливам разного качества;

• не требует специального обслуживания и рассчитана на весь срок службы автомобиля;

• никак не сказывается на интервалах между техобслуживанием и заменой масла;

• обеспечивает снижение расхода топлива на 2–5 % по сравнению с аналогичными автомобилями, соответствующими стандарту Euro-3;

• увеличивает дальность пробега автомобиля при условии, что он оборудован баком для AdBlue соответствующей вместимости.

Рис. 69. Схема применения технологии SCR с реагентом AdBlue на бензиновом двигателе

Реагент AdBlue — это жидкость, необходимая для использования технологии SCR. Он представляет собой высококачественный стандартизованный раствор мочевины на водной основе, который заправляется в специальный бак и не доставляет никаких дополнительных проблем водителю. Сама технология проста: AdBlue автоматически подмешивается к горячему потоку отработавших газов, в котором содержатся ядовитые окислы азота, а катализатор SCR преобразует эту смесь в безвредный азот и водяной пар.

Реагент AdBlue уже производится в шести странах Европы. Его выпускают ведущие европейские производители карбамида, которые совместно с партнерами по реализации организуют широкую сеть заправочных станций в Европе.

Специалисты российско-американской компании «Лаборатория триботехнологии» предложили новый оригинальный путь снижения эмиссии вредных примесей в отработавших газах. По их предложению, полезный эффект достигается за счет использования растворимых в моторном топливе производных мочевины вместе с наноразмерными частицами диоксида церия. Новая технология, которая получила название Urea & NanoCatalyst in Fuel, не предусматривает внесения изменений в конструкцию топливной аппаратуры двигателя внутреннего сгорания и в способ заправки на автозаправочных станциях.

Фирмой разработан специальный препарат FaberOx, представляющий собой дисперсию нанокапсулированного диоксида церия в органическом растворе производных мочевины, который добавляется непосредственно в топливо любого типа. На основе этих разработок получены и поставлены на рынок автохимии специальные препараты. Среди них нанотюнинговая добавка Fenom Street Racing к бензину, которая способствует увеличению мощности, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа, очищает топливную систему, стабилизирует работу двигателя. Эффект достигается за счет действия органических и неорганических нанокомпонентов добавки, повышающих эффективность горения топлива и его моющие качества.

Препараты компании «Лаборатория триботехнологии», разработанные на базе нанотехнологий к бензину и дизельному топливу (для «тюнинга топлива»), например Fenom NanoTuning, Fenom Street Racing и Fenom Cetane-Number Booster, содержат химические нанокатализаторы и регуляторы горения топлива, что способствуют улучшению эксплуатационных свойств топлив.

Эффективность мероприятий автохимического тюнинга также зависит от начального технического состояния автомобиля, применяемого препарата и технологии введения добавок, качества проведения ремонтно-восстановительных работ и ряда других причин.

Среди разработок фирмы «Лаборатория триботехнологии» в области нанотехнологий следует назвать наноочистители. Наноочиститель инжекторов бензинового двигателя Fenom Injector Nanocleaner предназначен для очистки инжекторной системы подачи топлива от нагара и отложений, удаления губчатых образований с впускных клапанов, нагара со стенок камеры сгорания и очистки свечей зажигания. Он способствует легкому запуску и хорошей приемистости двигателя, снижению износа и защите от коррозии деталей, более полному и «чистому» горению бензина — снижению его расхода и уменьшению токсичности выхлопа.

Наноочиститель форсунок дизеля Fenom Diesel Injector Nanocleaner служит для очистки распылителей форсунок, камеры сгорания от нагара и углеродистых отложений, очистки топливной аппаратуры. Он также способствует легкому запуску, восстановлению распыла топлива, повышению мощности и динамики дизеля, снижению износа и защите от коррозии деталей топливного насоса высокого давления и форсунок дизельного двигателя, более полному и «чистому» горению топлива, снижению его расхода и уменьшению токсичности и дымности выхлопных газов.

Оба препарата совместимы с нейтрализаторами отработавших газов. Эффект от их введения достигается за счет действия высокоэффективных моющих компонентов, модификатора трения и нанокатализатора горения.

Наноочиститель каталитического нейтрализатора выхлопных газов Fenom Catalytic Converter Nanocleaner создан для очистки и восстановления каталитической активности нейтрализаторов выхлопных газов бензиновых двигателей, а также электродов кислородного датчика (лямбда-зонда). Он способствует повышению приемистости двигателя, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа, увеличению срока службы нейтрализатора.

В целом все нанокаталитические добавки (присадки) к бензину и дизельному топливу очищают детали, каналы топливных систем, нейтрализаторы выхлопных газов, повышают энергоэкономические показатели двигателей за счет применения современных моющих компонентов, химических нанокатализаторов и регуляторов горения топлива.

Как показывают результаты лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний, применение РВП позволяет получить результат, сравнимый по величине с эффектом от использования специальных методов спортивной доводки двигателя — доработки каналов в головке блока цилиндров, изменения фаз газораспределения, уменьшения сопротивления фильтров и т. д. Например, на серийном автомобильном двигателе без каких-либо конструкторских доработок можно получить прирост мощности на 5–7 л.с. (3–5 кВт), экономию расхода топлива и смазочных материалов на 5-10 % и ряд других положительных характеристик.

Для получения наилучшего эффекта при применении РЭП при безразборном сервисе необходимо строго соблюдать требования производителей препаратов во избежание негативных последствий. При этом необходимость того или иного воздействия оценивается на основании результатов технической диагностики обрабатываемых узлов и агрегатов машин и механизмов.

Лакокрасочные покрытия и полироли

Один из секторов практического применения достижений нанотехнологий в автомобильной промышленности — получение прочных и стойких материалов, обладающих самоочищающимися свойствами, для лакокрасочных покрытий (KRG) автомобилей и другой транспортной техники, зеркал, керамики, текстиля и ряда других целей.

Формирование заданной наноструктуры (наноинженерия) поверхности может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:

• создания («черчение») рельефа лазерным лучом или плазменным травлением;

• анодного окисления (алюминия) с последующим покрытием специальными веществами;

• придания формы и создания микрорельефа гравировкой;

• покрытия поверхности слоем металлических кластеров, комплексами «поверхностно-активное вещество — полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;

• нанесения дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.

Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Для формирования таких наночастиц подходят полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы сформированные поверхности или нанесенные частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приводит к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Немецкая фирма Duales System Deutschland AG одной из первых представила на проходившей в Ганновере Всемирной выставке «ЭКСПО-2000» новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающимся эффектом. Для очистки поверхности сильно загрязненную машину достаточно полить водой.

Более того, в настоящее время имеются разработки на основе нанотехнологий, позволяющие вообще обходиться без воды. На загрязненные поверхности автомобиля из баллона распыляется специальный состав, которой затем растирается салфеткой или полотенцем. В результате не только удаляются образовавшиеся загрязнения, но и осуществляется нанесение защитного самоочищающегося покрытия, остающегося на поверхности более полугода.

Установлено, что любую поверхность можно изменять от су-пергидрофобных до супергидрофильных свойств с помощью розеткообразных частиц пентоксида ванадия (V2O5), которые легко нанести с помощью струйного принтера (или ввести в основу полироли), и последующего облучения ультрафиолетом. При этом гидрофобные свойства вызываются межслойными воздушными полостями размером 2,1 нм. Ультрафиолет обеспечивает создание пар «электрон — вакансия», в которых в кристаллической решетке «дырки» реагируют с кислородом, образуя на поверхности кислородные вакансии, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. В свою очередь кислородные вакансии закрываются (поглощаются) водой, делая ее гидрофильной. При длительном нахождении частиц в темноте происходит утрата ими своих гидрофильных свойств за счет замещения воды кислородом.

С 2003 года легковые автомобили Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK покрыты прозрачным лаком с наноразмерными (около 20 нм) керамическими частицами, созданными на основе нанотехнологий, которые в процессе высушивания в лакокрасочном цехе отвердевают, образуя на поверхности лакового покрытия чрезвычайно плотную сетчатую структуру.

Если обычный лак представляет собой длинные молекулярные цепочки связующего вещества с большими расстояниями между перекрестно-сшивающими агентами (рис. 70, слева), то структура нанолака представляет собой разветвленную сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (рис. 70, справа). Благодаря этому в три раза повышается прочность (износостойкость) лака и обеспечивается более интенсивный и долговечный блеск покрытия. Автомобили Mercedes-Benz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологии отмечены наградой на специализированной выставке Automechanika как «самые легкомоющиеся автомобили 2004 года».

Рис. 70. Длинные молекулярные цепочки связующего вещества и большие расстояния между перекрестно-сшивающими агентами (слева)

Структура износостойкого слоя лака: разветвленная сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (справа).

В настоящее время в области разработки и применения соответствующей нанотехнологической продукции для автомобильной промышленности основная конкуренция развернулась между американскими компаниями PPG, Dupont и Nanovere, а также немецким концерном BASF .

В 2002 году американская компания PPG Industries Inc. представила на автомобильном рынке первое высокоустойчивое керамическое самоочищающееся покрытие — CeramiClear® Clearcoat.

Для самоочистки поверхности фирма использует диоксид титана (TiO2). Его свойства таковы, что покрытие из данного вещества не только окисляет и расщепляет грязь, но и нейтрализует различные запахи и убивает микроорганизмы.

На практике это приводит к тому, что износоустойчивость лакового покрытия возрастает — оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40 % дольше, чем окрашенные обычной краской. Такому заключению предшествовали четыре года экспериментов и 150 окрашенных новой краской «тестовых» автомобилей. В сушильной камере при температуре 140 °C молекулярные цепи «нанолака» вытягиваются, а покрытие становится прочнее «традиционного» в несколько раз. Для повреждения «нанопокрытия» потребовалось усилие 20 мН, тогда как обычное деформировалось уже при 7 мН.

Другое направление использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении — исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Для решения этих проблем вместо традиционных жидких покрытий на водной основе используются порошковые покрытия, которые становятся все более распространенными, поскольку не содержат летучих органических соединений.

Как уверяют в компании DuPont, еще в начале 1990-х годов с активным привлечением последних «нанодостижений» они разработали принципиально новый экологически чистый порошковый материал на водной основе для покраски автомобилей. По словам разработчика, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не превышает десяти секунд.

Аналогичные исследования проводятся и другими конкурирующими фирмами. В 2006 году PPG создала собственный порошковый материал Clearcoat с характеристиками стойкости практически на уровне верхних значений для жидких красителей. С тех пор аналогичные покрытия быстро становятся стандартом в автомобильной промышленности.

В настоящее время компания PPG работает над самовосстанавливающимся лакокрасочным нанопокрытием, позволяющим осуществлять саморемонт царапин и мелких потертостей (матовых поверхностей), возникающих при повседневной эксплуатации автомобиля, за счет его тепловой активации (УФ-излучения).

Американская компания Nanovere также разработала одновременно устойчивую к царапинам и самоочищающуюся краску под названием Zyvere 2K Nanocoating, которая уже была испытана на переднем бампере автомобиля Cadillac CTS-V. При испытаниях автомобиль на некоторых участках трека разгонялся до 320 км/час, но загрязнений или появления царапин на бампере не наблюдалось.

Новое нанопокрытие из наночастиц диоксида кремния (SiO2) для кузовов автомобиля (может также применяться для окраски колесных дисков, самолетов или кораблей), как уверяют разработчики, на 53 % устойчивее к появлению царапин, а за счет самоочистки («эффекта лотоса») — на 60 % к образованию на нем различного рода загрязнений (грязь, пыль, масло, вода и лед).

Еще одно направление применения нанотехнологий — разработка, представленная нанотехнологами компании Nissan . Они придумали так называемое «парамагнитное» покрытие, представляющее собой уникальный полимер из частиц оксида железа.

Под воздействием электрического тока эти частицы меняют способность отражать свет, таким образом, меняется цвет автомобиля.

Цветовая гамма зависит от плотности частиц оксида железа и силы прилагаемого тока (подаваемого на них напряжения). Изменить цвет машины можно одним нажатием кнопки в любое время, в зависимости от настроения, погоды или времени суток. Например, в ночное время цвет автомобиля можно оставить белым, в снегопад или при интенсивном движении — красным, а при плохом настроении — темно-серым и т. д. Однако при выключенном зажигании окраска машины моментально примет свой исходный цвет — белый, что создаст определенные сложности по ее идентификации как самими владельцами (например, на парковке), так и службами автоинспекции. Предполагается, что «хамелеоны» от Nissan должны появиться в продаже уже в 2010 году.

При необходимости «нанопокрытие» сможет также заблокировать проникновение радиосигналов заданных частот в салон автомобиля для защиты от прослушивания со стороны каких-либо спецслужб или конкурентов.

В процессе эксплуатации автомобиля поверхность лакокрасочного покрытия неизбежно окисляется и повреждается, покрываясь царапинами, микротрещинами, сколами, рисками и т. д. Это результат механических повреждений, воздействий агрессивных веществ, солнечного излучения и перепадов температур.

Сохранить лакокрасочное покрытие кузова позволяют полироли и различные средства защиты. Наноструктурированные поверхности изменят существующий подход к очистке и уходу. Особое место среди них занимают современные разработки в области нанотехнологий, например нанополироли для лакокрасочного покрытия и остекления автомобиля, в том числе реализующие «эффект лотоса».

Интересные возможности открываются при сочетании чистящих средств и наноструктур. О некоторых препаратах автохимии, реализующих «эффект лотоса» и применяющихся для повышений качества лакокрасочного покрытия автомобиля, будет рассказано ниже.

Автомобильная нанополироль, реализующая «эффект лотоса», — это, как правило, двухкомпонентный препарат автохимии, состоящий из подготовительной жидкости (растворителя) и собственно полироли, представляющий собой смесь частиц наноматериала (алмаз, оксиды титана, кремния, вольфрама и т. д.) в специальной среде из растворителей и наполнителей. Предназначена она для оптической маскировки локальных потертостей и царапин, восстановления первоначального цвета и свойств лакокрасочного покрытия или остекления автомобиля, а также придания им самоочищающихся свойств.

В 2008 году японскими учеными была создана специальная полироль, полностью состоящая из жидкой неорганической стеклянной структуры, которая не только защищает автомобиль от царапин во время мойки, но и восстанавливает и сохраняет яркость и насыщенность цвета кузова. На поверхности кузова полироль образует защитную стеклоподобную пленку, которая надежно выдерживает действие различных кислот, грязи и обладает водоотталкивающими свойствами («эффектом лотоса»).

Выпускаются нанопрепараты двух видов для остекления автомобилей: специальные защитные водоотталкивающие пленки и двухкомпонентные полироли, состоящие из эффективных растворителей и собственно нанопрепарата.

На рис. 71 представлен механизм «самоочищения» стекла 4 автомобиля, обработанного специальными нанополиролями 1. Поверхность модифицирована таким образом, что капля воды 2 катится по ней, собирая грязь 3, тогда как на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.

Гидрофобное покрытие для остекления автомобиля в виде пленок уже используется в автомобильной промышленности при производстве серийных машин — оно наносилось на боковые стекла Nissan Terrano II. Подобное покрытие, хотя не создавало полноценного водоотталкивающего эффекта, но заметно уменьшало пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло оставалось достаточно прозрачным.

Рис. 71. Схема реализации «лотос-эффекта»: 1 — нанопокрытие; 2 — капля жидкости (воды); 3 — загрязнение; 4 — поверхность (стекло, краска, керамика и т. д.)

После такой обработки вода, снег и грязь не удерживаются на поверхности стекла, а уносятся встречным потоком воздуха, а попавшие на стекло битум, растительные смолы, масляная пленка, прилипшие насекомые и т. д. легко удаляются дворниками даже в самых тяжелых случаях. Ночная видимость становится существенно лучше, а встречный транспорт ослепляет гораздо меньше. В результате водоотталкивающего эффекта и более прозрачного стекла повышается активная безопасность на дороге. Одновременно снижаются расходы на новые стеклоочистители, так как они почти в два раза реже выполняют свои функции.

В настоящее время ведущими автохимическими концернами мира разрабатываются и выпускаются новые нанопрепараты автокосметики с использованием явления «лотос-эффекта», например «антидождь — нанозащита стекла» и «антигрязь — нанозащита шин».

В таблице 15 представлены некоторые препараты безразборного сервиса автомобиля на основе наноматериалов, имеющиеся в настоящее время в открытой продаже.

Таблица 15. Препараты безразборного сервиса автомобиля на основе наноматериалов

Мифы военных нанотехнологий

Нанотехнологии способны радикально изменить баланс сил, даже в большей степени, чем ядерное оружие.

Дэвид Джеримайя (David E. Jeremiah), бывший член Объединенного комитета начальников штабов США, 1995 год

Будучи премьер-министром, М. Е. Фрадков на одном из заседаний правительства как-то заявил, что о нанотехнологиях «половина сидящих в этом зале ничего не знает». По его словам, хотелось бы, чтобы над нанопроектами в России работали в таком же режиме, как над атомным проектом при Сталине. Потому как нанотехнологии в настоящее время — примерно то же, что атомная бомба полвека назад.

Пожалуй, самым первым фактом применения нанотехнологий в военных целях следует считать факт, открытый учеными Дрезденского технического университета (Германия) при исследовании образца дамасской стали (известной своей высочайшей прочностью), из которой в XVI веке была изготовлена сабля, хранящаяся в Историческом музее г. Берна (Швейцария). После травления поверхности образца металла в соляной кислоте исследователи обнаружили нитеобразные объекты нанометровых поперечных размеров (рис. 72, а).

При детальном изучении поверхности с использованием сканирующего туннельного микроскопа оказалось, что это многослойные углеродные нанотрубки, к тому же заполненные внутри цементитом — карбидом железа (Fe3C), обладающим очень высокой твердостью. Расстояние между слоями в исследуемых нанотрубках оказалось близким к типичному для таких систем — 0,34 нм.

Поскольку нанотрубки обладают рекордной прочностью на растяжение (модуль упругости приблизительно равен 1012 ТПа), не приходится удивляться тому, что входящие в состав дамасской стали углеродные нанотрубки обеспечивают материалу сабли столь высокие прочностные свойства. Достойна восхищения изобретательность средневековых кузнецов, которые, не имея представления ни о структуре, ни о способах получения нанотрубок, сумели эмпирическим путем создать конструкционный материал, отличающийся исключительными механическими характеристиками, а из него выковать непревзойденное по прочности холодное оружие. Истории известны случаи, когда воин, вооруженный таким оружием, мог с легкостью перерубить саблю противника.

Рис. 72. Наноструктура дамасской стали (а) и конструкционного материала ApNano (б)

На одной из первых ежегодных Форсайтовских конференций, проводимых с 1989 года, по инициативе Э. Дрекслера было принято обращение к ученым и правительствам всего мира не производить наноразработки в военных целях. Однако необходимость получения средств на научные исследования привела к развитию нанопрограмм для средств вооружения, а также изделий двойного назначения, главным образом в США. Некоторые такие разработки уже находятся на вооружении армии этой страны и других стран НАТО, Израиля и сил самообороны Японии.

В настоящее время военные исследования в области нанотехнологий ведутся по шести основным направлениям: энергетические ресурсы и боеприпасы, обеспечение и противодействие невидимости объектов, защитные и самовосстанавливающиеся системы, позволяющие автоматически ремонтировать поврежденную поверхность танка или самолета или менять ее цвет («эффект хамелеона»), системы связи, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

Если говорить о современном применении нанотехнологий в военных целях, то оно фактически было запущено, когда начались работы по созданию атомного оружия. Когда ученые смогли перешагнуть порог наноизмерений и устремились вглубь атомов, им открылись великие непознанные свойства материи, приведшие в конце концов к созданию не только ядерного оружия, но и атомной энергетики.

Работы в этом направлении продолжаются. Создаются не только новые виды вооружения и боезапасов, но и различные сопутствующие технологии, например средства защиты (бронежилеты, плащи-невидимки и т. д.), различного рода наносенсоры и другие электронные устройства.

Так, по сообщению заместителя начальника Генерального штаба ВС РФ А. С. Рукшина средствам массовой информации, в сентябре 2007 года испытана новейшая объемно-детонирующая авиационная бомба ОДАБ-9000, разработанная на принципах нанотехнологий, мощность которой, согласно утверждениям военных, может сравниться только с ядерными боевыми зарядами.

«Результаты испытаний созданного авиационного боеприпаса показали, что он по своей эффективности и возможностям соизмерим с ядерным боеприпасом. Основные разрушения производит сверхзвуковая воздушная ударная волна и невероятно высокая температура. Все живое просто испаряется. Почва после взрыва больше похожа на лунный грунт, но нет ни химического, ни радиоактивного загрязнения. Эта разработка обеспечит нам возможность дать реализацию безопасности государства и в то же время противостоять международному терроризму в любой обстановке и в любом регионе», — заявил А. Рукшин ведущим каналам российского телевидения.

До этого времени самой мощной неядерной бомбой считалась американская Massive Ordnance Air Blast («Бомба воздушного площадного взрыва»), или GBU-43/B МОАВ по американской официальной квалификации. По другой, неофициальной маркировке, аббревиатуру MOAB расшифровывают как — Mother Of All Bombs («Мать всех бомб»).

Отечественными военными было отмечено, что конструкторы новой бомбы назвали свое десятитонное изобретение «Папой всех бомб» — в противовес американскому вакуумному боеприпасу.

Сотрудник Научно-исследовательского института российского министерства обороны Юрий Балыко сказал, что взрывчатое вещество, использованное в новой бомбе, имеет более высокую разрушительную силу, чем тротил, и что этого удалось достичь вследствие применения нанотехнологий.

«Это позволило снизить требования к точности, отсюда удешевление — качество, которое необходимо в современных условиях», — заявил Ю. Балыко.

По данным журналистов, российская бомба в четыре раза мощнее американского аналога. При этом температура в центре разрыва в два раза выше. Площадь поражения также в два раза шире — 300 м против 150 м.

Приблизительно в 1960 году американскими военными конструкторами было установлено, что уже через 125 мс после подрыва боеприпаса, содержащего 10 галлонов (примерно 32–33 л) окиси этилена, образуется облако топливовоздушной смеси радиусом 7,5–8,5 м и высотой до 3 м. Одновременное воспламенение облака несколькими детонаторами создает ударную волну, имеющую избыточное давление 2 100 000 Па, что эквивалентно взрыву 200–250 кг тротила. Даже на расстоянии 25–40 м от эпицентра взрыва давление в ударной волне достаточно для разрушения самолета или вертолета на стоянке.

Впервые аналогичные бомбы (тогда их называли «топливными» или «бензиновыми») применялись армейской авиацией США еще в годы войны в Корее в 1950–1953 годах. Сейчас их иногда называют «вакуумными» бомбами (наверное, из-за того, что в эпицентре взрыва кислород выжигается практически полностью).

Военными были испытаны и признаны годными для применения в бомбах объемного взрыва взрывчатые вещества, содержащие окись этилена, окись пропилена, метан, пропилнитрат и состав МАРР (смесь метила, ацетилена, пропадиена и пропана).

Американцы широко использовали вакуумные бомбы во Вьетнаме летом 1969 года во время американо-вьетнамской войны для расчистки джунглей. Использование вертолетов для подвоза материальных средств, а также эвакуации раненых и вообще личного состава в условиях джунглей часто было невозможно из-за отсутствия открытых площадок, пригодных для их посадки. Расчистка джунглей для посадки одного вертолета требовала непрерывной и интенсивной работы целого инженерного взвода в течение суток, что практически приводило их к гибели.

Эффект от применения новой бомбы превзошел все ожидания. Американский многоцелевой вертолет типа UH-1 Iroquois (производства фирмы Bell Helicopter Textron, более известный как «Хьюи», Huey) мог прямо в кабине свободно нести 2–3 таких боезапаса. Взрыв одной бомбы даже в самых непроходимых джунглях создавал открытую площадку диаметром 30–40 м, пригодную для посадки вертолета.

Несмотря на международные запреты, американская армия использовала термобарическую бомбу, основанную на аналогичных принципах, против движения Талибан и «Аль-Каиды» в горах на востоке Афганистана для разрушения пещер и подземных убежищ, в которых мог скрываться Усама Бен Ладен.

В период ливанской войны 6 августа 1982 года израильский самолет сбросил вакуумную бомбу американского производства в Ливане на восьмиэтажный жилой дом. Взрыв произошел в непосредственной близости от здания на высоте второго этажа. В результате здание было полностью разрушено. В самом здании и в находившихся поблизости от места взрыва укрытиях погибли около 300 человек.

Разработанная американцами «Мама всех бомб» при длине в 10 м и диаметре 1 м производит угнетающее впечатление. Из общей массы в 9,5 т около 8,5 т приходится на мощную взрывчатку на основе алюминиевого порошка типа H6 австралийского производства (по мощности в 1,3 раза превышает тротил).

MOAB разрабатывалась взамен знаменитой BLU-82 Daisy Сийег и впервые была испытана в марте 2003 года на полигоне во Флориде.

Как уже отмечалось, радиус ее гарантированного поражения — около 150 м, но частичные разрушения отмечаются и на расстоянии более 1,5 км от эпицентра взрыва. GBU-43/B не является высокоточным оружием, но наводится она все же с помощью GPS. При этом используются решетчатые рули, широко применяемые в аналогичных российских боеприпасах.

Боевое применение подобных авиабомб наиболее целесообразно при расчистке больших территорий от лесных насаждений (джунглей или тайги), а также как эффективное противопехотное или противотанковое средство.

По данным электронных средств массовой информации, в августе 1999 года, во время агрессии чеченских боевиков против Дагестана, на дагестанский аул Тандо, где скопилось значительное число захватчиков, российским штурмовиком «Су-25» была сброшена крупнокалиберная бомба объемного взрыва. Боевики понесли огромные потери. Этот удар имел значительное психологическое действие. В дальнейшем одно лишь появление штурмовика «Су-25» над каким-либо захваченным селением заставляло боевиков спешно покидать населенный пункт — срабатывал так называемый эффект Тандо.

Рассматривая возможные разрушительные последствия взрыва вакуумной бомбы большой мощности, можно вспомнить одну из версий Тунгусской катастрофы. Гигантский взрыв произошел 30 июня 1908 года в районе Подкаменной Тунгуски в Сибири. По одной из версий, он мог быть результатом воспламенения от молнии или пролетавшего метеорита скопившегося над тайгой значительного количества метана или другого газа, которого в этих местах предостаточно. Взрыв уничтожил тайгу на площади 2150 км, привел к регистрации толчков, аналогичных землетрясению, сейсмическими станциями в Иркутске и германском городе Киль, а также образованию взрывной волны, дважды обошедшей земной шар.

В течение первых нескольких суток после взрыва от Бордо (Франция) до Ташкента (Узбекистан) и от берегов Атлантики до Красноярска (Россия) отмечались необычные атмосферные явления — ночное свечение неба, яркие серебристые облака, гало и венцы вокруг солнца. В этот день в далекой Антарктиде участники английской антарктической экспедиции наблюдали необычное по форме и мощности полярное сияние.

Ученые по сей день спорят о возможных причинах этих явлений, но последствия были сравнимы со взрывом атомной бомбы. Если не вдаваться в научные тонкости вопроса, то аналогии налицо.

Разработанная технология объявлена военной тайной, но так как ее сравнивают с американской ОДАБ GBU-43/B MOAB, следует подробно рассмотреть, в чем же заключается принцип действия подобных бомб и какое отношение к нему могут иметь нанотехнологии.

Если вакуумная бомба давно известна, какой вклад внесли нанотехнологии в ее совершенствование? Ответ оказывается достаточно простым.

Известные отечественные ученые-химики заявляют, что современные технологии изготовления алюминиевого порошка (пудры) для вакуумных бомб обеспечивают дисперсность частиц размером до 100 нанометров. Дескать, вот и вся нанотехнология.

Естественно, чем меньше размер частиц распыляемого вещества, тем выше их проникающая способность, больше площадь распыления, а следовательно и площадь поражения. При этом, чем меньше дисперсность частиц, тем более полно они сгорают, обеспечивая выделение максимальной энергии сгорания при меньшей массе всего заряда, что имеет немаловажное значение для транспортировки бомбы к месту применения.

При этом указывается, что ни одна химическая реакция не может сравняться с ядерной (разница примерно в 10 миллионов раз), называя данную разработку очередным проявлением «нанопурги» от отечественных военных структур.

Другим направлением исследований, как уже отмечалось, является создание различного рода защитных средств. Так, израильская компания ApNano Materials недавно испытала один из наиболее стойких к удару материалов, известных человечеству (рис. 76, б). Образец конструкционного материала ApNano, разработанный на основе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые производились стальным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с воздействиями до 250 т/см2, а также статическую нагрузку 350 т/см2, что соответствует приблизительно нагрузке, развиваемой четырьмя дизельными локомотивами на область размером с человеческий ноготь.

Руководитель ApNano Materials, доктор Менахем Генут (Menachem Genut), заявил, что компания готова выпускать до 200 кг материала ежедневно и в перспективе сможет перейти к производству в количестве, достаточном для нужд всей израильской армии. Такой материал может понадобиться для изготовления шлемов и бронежилетов, а также обшивки военного транспорта.

Класс подобных материалов назван «неорганической фуллереноподобной наноструктурой» (inorganic fullerene-like nanostructures, IF). В настоящее время компания переходит к исследованию аналогичных образцов на основе дисульфида титана, которые, как ожидается, могут быть еще более прочными, чем на основе вольфрама, при массе, меньшей в четыре раза.

В армейской научно-исследовательской лаборатории США (U.S. Army Research Laboratory) создали новую нательную броню для солдат на основе самосгущающейся жидкости (Shear Thickening Fluid, STF). STF имеет достаточно сложный состав, однако сам принцип работы достаточно прост. В жидкости, которую разработчики называют «полиэтиленгликоль», расположена взвесь наноразмерных частиц, которые образуют с полиэтиленгликолем суспензию, обладающую рядом уникальных физических свойств, в частности она сгущается при сильном механическом воздействии. Когда материал погружают в STF, кремниевые наночастицы поглощаются волокнами ткани. В обычном режиме ткань сохраняет гибкость, но когда материал встречается с внезапным напряжением, вроде попадания пули, частицы нанокремния автоматически создают дополнительное сопротивление. При сдвиговом течении коллоидных суспензий (в данном случае — STF) в условиях увеличения скорости сдвига возможно резкое увеличение вязкости суспензии, что может стимулировать кардинальные изменения в ее микроструктуре за счет агрегирования частиц. При ударной нагрузке на полимерную наносистему происходит диссипация энергии удара, которая расходуется на образование гидрокластеров, препятствующих разрыву пленки полимерной наносистемы (рис. 73).

Рис. 73. Механизм образования гидрокластеров в полимерной наносистеме STF (Shear Thickening Fluid): 1 — равновесное состояние; 2 — невысокая деформация; 3 — ударное воздействие

На 11-й Международной выставке средств обеспечения безопасности государства «Интерполитех-2007» Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологий (Зеленоград) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы «жидкой» брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и других средств индивидуальной защиты.

Создание «жидкой» брони заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фторполимерной композиции (химических соединений) с наночастицами оксида алюминия. Обработанная ткань внешне не отличается от аналога, но при ударном воздействии на нее пули или осколка находящийся внутри гель мгновенно затвердевает, препятствуя разрушению ткани и снижая поражающее воздействие.

Российскими специалистами исследовалась эффективность защитных свойств опытного образца ткани из «жидкой» брони и стандартного образца, изготовленного из 18 слоев баллистической ткани. Испытания проводились методом метания в них шариков массой 1,04 г и диаметром 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В результате испытаний было установлено, что «жидкая» броня обеспечивает лучшие защитные свойства, выдерживая нагрузку от шариков, летящих со скоростями до 558 м/с.

Проведенные исследования указывают, что имеющие место многочисленные западные публикации о разработках «жидкой» брони в Великобритании и США на основе материалов с прослойкой (или пропиткой) из наночастиц имеют под собой реальную основу.

С учетом относительной простоты изготовления и малого веса таких материалов, они уже сейчас вполне пригодны для применения в качестве средств защиты полицейских и некоторых других должностных лиц. В настоящее время в России и за рубежом ведутся исследования с целью обеспечения эффективности «жидкой» брони для защиты военнослужащих от современного стрелкового оружия и осколков большинства взрывных устройств.

Такое поведение суспензии может быть использовано и в амортизационных устройствах различных конструкций, где возможно ограничение максимальной скорости потока суспензии за счет нелинейного изменения вязкости.

Возможность практической реализации рассмотренных принципов «жидкой» наноброни также вызывает неоднозначные, точнее, негативные отзывы отечественных ученых-химиков, предлагающих удостоить разработчиков к «позорной» Шнобелевской премии (присуждаемой за сомнительные достижения, которые невозможно воспроизвести или же нет смысла этого делать) по химии! В то же время, как мне стало известно из заслуживающих доверия источников, такие исследования в России и за рубежом интенсивно продолжаются, а полученные результаты вселяют надежду в эффективность будущих результатов.

Как отмечается, бронежилеты из такого материала способны достаточно эффективно защитить человека от удара ножом, некоторых осколочных боеприпасов и пуль, выпущенных из огнестрельного оружия.

Другим изобретением, которое может быть в перспективе использовано для военных целей, является разработка так называемого плаща-невидимки. Как видим, некоторые фантастические сюжеты русских народных сказок о шапках-невидимках и коврах-самолетах начинают сбываться.

В таких исследованиях заинтересованы различные спецслужбы и армейские круги, которые и финансируют данные разработки.

Основная задача, стоящая перед разработчиками данного маскирующего устройства, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта и должен полностью обходить его. При этом необходимо, чтобы наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.

По данным интернет-ресурса Physorg.com, ученые и инженеры из центра нанотехнологий Бирка (Birck Nanotechnology Center) при университете Пердью, опираясь на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году британскими физиками, создали виртуальную модель, состоящую из множества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая напоминает круглую массажную щетку. За счет отклонения кончиками игл видимого света объекты позади щетки становятся видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, — невидим.

Для изготовления наноигл необходимо оборудование, которое сейчас применяется при производстве устройств с помощью нанотехнологий, так как диаметр игл в теоретической модели составляет примерно 10 нм при длине в сотни нанометров.

Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым только при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели «можно создать “плащ-невидимку” для любой длины волны в видимом спектре», — утверждает русский ученый Владимир Михайлович Шалаев, в настоящее время — профессор Колледжа электрического и компьютерного инжиниринга в университете Пердью.

По словам В. Шалаева, хотя модель работает только для одной частоты, ей уже сейчас можно найти практическое применение — например, производство защитной системы, позволяющей сделать солдат незаметными для приборов ночного видения, поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны. Другое возможное применение — маскировка объектов от «лазерных целеуказателей», используемых военными для поиска и подсветки цели.

Уже сейчас в ряде армий, прежде всего США, применяются специальные покрытия типа «Антилуч» для военных самолетов, кораблей и бронетехники, способные полностью нейтрализовать импульсы боевых лазеров.

«Создание модели, работающей для всех цветов видимого света одновременно, — трудная техническая задача, но я полагаю, что это возможно, это явно осуществимо. В принципе такой “плащ” может быть сколь угодно большим — размером с человека или самолет», — заявил В. Шалаев.

Другая группа ученых в составе Джона Пендри (John Pendry) из Империал-колледжа в Лондоне, Дэвида Шурига (David Schurig) и Дэвида Смита (David Smith) из Университета Дьюка, одновременно с Ульфом Леонардом (Ulf Leonhardt) из университета Св. Андрея в Шотландии опубликовала результаты собственных исследований — математические принципы, лежащие в основе устройства оптической маскировки.

Леонард пишет, что исследование университета Пердью представляет «.теоретические симуляции, которые показывают, что модифицированная римская чашка, созданная на основе современной технологии производства наноматериалов, будет работать как устройство для обеспечения невидимости… Любой объект, который вы поместите внутрь, исчезнет, как будто растворится в воздухе — при условии, что его наблюдают через поляризованные окрашенные очки именно этого цвета». Он сравнивает разработанную в центре Пердью модель с созданием в Риме «первого оптического метаматериала» — разновидности стекла, содержащего наночастицы золота. При обычном дневном свете изготовленная из этого стекла чашка кажется зеленой, а при внутренней подсветке становится рубиновой.

Другая группа исследователей разрабатывает концепции маскировки объектов размером меньше и больше длины волны видимого света. Такие системы требуются для защиты от различного рода радарных и поисковых устройств. Однако главная цель на сегодняшний день — все-таки принципиальное технологическое решение для маскировки произвольного объекта в спектре видимого для людей света. Наверное, следует признать, что эта задача имеет еще и некоторый психологический аспект.

Предполагается, что устройство может быть создано именно из так называемых немагнитных метаматериалов. В отличие от разработок для обеспечения невидимости в микроволновом спектре, новая модель не обладает магнитными свойствами. Это значительно облегчает маскировку объектов в видимом спектре, но в то же время небольшая часть видимого света все же отражается от маскируемого объекта. Для его производства необходим особый диэлектрик — метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления. В данном же случае с возможным использованием метаматериалов японский теоретик Томоширо Очиаи (Tomoshiro Ochiai) с коллегами теоретически рассчитал концептуальную модель реального «плаща-невидимки».

По поводу метаматериала следует заметить, что в 1967 году советский физик Виктор Георгиевич Веселаго предсказал возможность создания материала с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериала), который он назвал «левосторонним». В своей статье «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и ^», опубликованной в вестнике «Успехи физических наук», ученый пришел к заключению, что с появлением такого материала существенно изменяются почти все известные оптические явления распространения волн.

В следующей разработке модель «плаща-невидимки» представляет собой пустотелый цилиндр. Попадающие на него электромагнитные волны огибают внутреннюю полость цилиндра, продолжая движение на его противоположной стороне. В результате волновой фронт остается полностью неизменным, как если бы на его пути не было никакого цилиндра. Однако главный недостаток заключается в том, что в настоящее время все это «функционирует» опять же только для волн строго определенной частоты. Положительной же стороной является тот факт, что предложенный японскими теоретиками вариант устройства полностью соответствует основным требованиям, которые предъявляются к реальному «плащу-невидимке»: не отражать видимого света и не вызывать изменения фазы и направления проходящего излучения.

Имеются и более примитивные устройства, например разработка японского ученого-практика Сусуму Тачи (Susumu Tachi). Его «плащ-невидимка» состоит из частиц (экранчиков), каждая из которых воспроизводит свою часть изображения, полученного камерой на противоположной стороне. Однако невидимым человек является только строго с одной стороны (определенного угла зрения), со всех остальных сторон он видится «обычным» человеком в «необычном» (смешном) плаще.

Следует, однако, отметить тот факт, что невидимое невооруженным глазом может быть заметно с помощью специальных приборов, и наоборот. Наглядный пример — американский самолет-невидимка F-117 Night Hawk (известный в России как «Стелс», Stealth), созданный по новейшим технологиям, который 27 марта 1999 года был сбит югославскими ПВО с помощью достаточно старого советского зенитно-ракетного комплекса (ЗРК) С-125 «Нева» (принятого на вооружение еще в 1961 году).

Во время бомбардировок самолетами НАТО территории союзной Югославии американцы безнаказанно бомбили стратегические объекты страны: мосты, аэродромы, электростанции и т. д., рассчитывая, что югославские ПВО их не видят. Оказалось, что часть устаревших средств ПВО Югославии работает на других частотах, и «невидимки» ими регистрируются. Результатом стали обломки американского бомбардировщика «Стелс», показанные телевидением бывшей Югославии.

С технической стороны, несомненным достоинством сербской батареи ПВО являлись устаревшие радары и ракеты. Современные высокочастотные радары отслеживают летящие объекты, регистрируя отраженный от них радиосигнал. В случае со «Стелс» короткие волны рассеиваются особой карбоновой конструкцией и формой корпуса самолета так, что он не регистрируется на экранах локатора. Оказалось, что для длинноволновых (низкочастотных) радаров подобная форма самолета не является препятствием, и они регистрируют любой крупный объект в воздухе.

Возможно, еще одним фактором, сыгравшим на руку югославским ПВО, стала дождливая погода в этот период времени. Не исключено, что влажная от дождя поверхность «Стелс» оказалась менее защищена от сигналов радаров. Поэтому особое место и в этом случае могут занять гидрофобные покрытия, позволяющие обеспечить несмачиваемость защитных антирадарных поверхностей.

Как известно, наибольшее развитие нанотехнологии получили в электронной, компьютерной и вообще электротехнике, именно поэтому они также заслужили пристальное внимание военных кругов развитых стран мира.

Миниатюризация компонентной базы вычислительной техники и увеличение тактовой частоты представляют собой главное направление развития нанотехнологий. К настоящему времени доказана работоспособность ряда активных компонентов — транзисторов, диодов, ячеек памяти, состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонентов в единую систему и соединением их нанопроводами. Тем не менее можно не сомневаться, что решение этих проблем — вопрос времени. Поэтому было бы удивительно, если бы эти разработки в первую очередь не были использованы в военных целях.

В связи с открытием в 2001 году нового агрегатного состояния вещества (конденсата Бозе-Эйнштейна) и проведением ряда экспериментов по умножению числа атомов (по аналогии с умножением числа фотонов в оптических лазерах) военные круги США в рамках программы «Звездные войны» заинтересовались возможностью изготовления «атомного лазера». В проведенном группой ученых эксперименте количество атомов в пучке, проходящем через установку, удалось увеличить в тридцать раз.

Такое устройство могло бы значительно увеличить мощность боевого луча и, следовательно, эффективность его применения, тем более что именно недостаточная мощность современных оптических лазеров не позволяет в полной мере реализовать намеченные планы.

Первые разработки в области наноскопических датчиков уже успешно применяются в военных целях. Новые поколения сенсорных массивов и аналитического программного обеспечения создадут новые возможности для внедрения в чужие базы данных и перехвата нужной информации. Испытанные американцами во время военной кампании в Афганистане микроскопические датчики Smart Dust («умная пыль»), похожие на пушинки миллиметровых размеров, показали высокую эффективность. Их новизна заключается в том, что сигналы большого количества разнородных элементарных датчиков принимаются и анализируются централизованно, а сами датчики очень дешевы в производстве, так как являются массовым продуктом.

Микроскопические частички Smart Dust разработала и изготовила группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора (Michael Sailor) из калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego — UCSD). Сэйлор заявил: «Эти пылинки — ключ к разработке роботов размером с песчинку. В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах вроде вен или артерий к определенным целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию во внешний мир. Такие устройства могли бы использоваться для контроля чистоты питьевой или морской воды, обнаружения опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже нахождения и уничтожения поврежденных клеток в организме человека».

Создание «умной пыли» — это результат электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале был взят кремниевый чип, из которого гравировкой химикатами получили пористую фотонную структуру. Затем эту структуру модифицировали, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало — красного цвета с одной стороны, зеленого — с другой (рис. 74).

Рис. 74. Схема изготовления и работы ««умной пыли»

Стороны пористой зеркальной поверхности наделены практически противоположными свойствами. Одна сторона — гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая — гидрофил (привлекательная для воды). После разрушения зеркального чипа ультразвуком от него остаются микроскопические частички диаметром с человеческий волос. Каждая из них — это крошечный датчик, и поэтому создается семейство самоорганизующихся сенсоров. При появлении влаги пылинки поворачиваются «гидрофильной» красной стороной к воде, а «гидрофобной» зеленой — к воздуху. Когда же появляется маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобной» стороной. Ввиду того, что стороны разноцветные, по окраске можно определить, что происходит в этой «пыльной» среде. По словам М. Сэйлора, частицы можно запрограммировать на миллионы реакций, что даст возможность обнаружить присутствие тысяч химических веществ одновременно.

Длины волн света или цвета, отраженного от поверхностей пылинок после реакции на химический или биологический агент, — это своего рода штрихкод. Каждая частичка слишком мала, чтобы по ее цвету определить изменения, однако совокупность сотен или тысяч пылинок уже достаточно заметна для лазера даже на расстоянии 20 м. В университете Сан-Диего поставили цель разглядеть изменения с расстояния 1 км.

Работу над «пылинками» профессор М. Сэйлор с коллегами ведет в течение нескольких лет. В 2002 году они представили частички с односторонней зеркальной поверхностью. Финансовую поддержку ученым оказывает Национальный научный фонд США, озабоченные борьбой с терроризмом военные в лице управления научных исследований ВВС и агентства Пентагона по передовым оборонным разработкам DARPA.

Продолжая тему миниатюризации военных систем и использования в них нанотехнологий, следует рассказать о разработках беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые все больше используются военными разных стран в разведывательных и боевых операциях.

В связи с этим стоит отметить интенсивные полеты российских и грузинских БПЛА иностранного производства в канун начала грузино-осетинской войны 2008 года, а также полеты израильских аппаратов над территорией Палестины.

В настоящее время на вооружение стран НАТО поступают уже сверхмалые БПЛА, созданные с применением последних нанотехнологических разработок в конструкционном, энергетическом, радиотехническом и навигационном оснащении.

Норвежская компания Prox Dynamics создала самый маленький в мире беспилотный разведывательный вертолет PD-100 Black Hornet («Черный шершень») с оптической камерой, способной вести наблюдение на открытой местности и внутри помещений.

Вес «шершней» составляет всего 15 г, диаметр двухлопастного несущего винта — 10 см, а масса сервомоторов PDS-2 — всего 0,5 г. Особенность вертолета в том, что он практически неслышен с расстояния в несколько метров.

В комплекс беспилотной системы общей массой 0,7 кг включены три БПЛА PD-100 Black Hornet , пульт управления, зарядное устройство и транспортный контейнер размером 8x12x20 см с пультом управления на основе жидкокристаллического дисплея с диагональю 6 дюймов и устройством для записи сигнала, получаемого с камер, установленных на аппарате.

Компания Prox Dynamics планирует начать поставку полнофункционального нанобеспилотника PD-100 Black Hornet потенциальным заказчикам уже в 2010 году.

Аналогичные разработки ведутся и в других странах. В США разработан еще более миниатюрный аналогичный БПЛА NAV (Nano Air Vehicle) длиной всего 7,5 см, массой менее 10 г, полезной нагрузкой около 2 г, скоростью 5-10 м/с, дальностью полета более 1000 м и возможностью зависания над объектом не менее чем на 60 с. При этом данное нанотехнологическое воздушное транспортное средство Nano Air Vehicle приводится в движение взмахами крыльев и предназначено не только для военных миссий, но и для применения в городских условиях при мониторинге различного назначения и проведении спасательных операций.

По данным создателей, в БПЛА применены революционные разработки в аэродинамической конструкции подъемных устройств, обеспечивающих парящий полет, а также бортовое программное обеспечение, позволяющее избегать столкновений с препятствиями не только на улице, но и в закрытых помещениях.

NAV оснащен современной навигационной системой с GPS и, кроме видеонаблюдения, может выполнять различные функции в зависимости от типа устанавливаемых на него нанодатчиков.

По сообщениям российских интернет-изданий, отечественные разработки БПЛА пока не отличаются аналогичной компактностью. БПЛА вертолетного типа, выпускаемые ижевской компанией «Беспилотные системы», серий ZALA 421-06 и ZALA 421-06 при максимальном взлетном весе 12,5 кг имеют длину 1,57 м, ширину 0,54 м и высоту 0,57 м. При диаметре несущего винта в 1,77 м отечественный БЛПА имеет возможность нести полезную нагрузку массой до 3,5 кг. Однако эта характеристика, пожалуй, не является достоинством российского БЛПА, а указывает на несравнимо огромные, по сравнению с зарубежными аналогами, габариты и вес его оснащения.

Если говорить о проблемах авиации в целом, то следует отметить, что для реализации следующих поколений летательных аппаратов сегодня необходим технологический прорыв в создании новых конструкционных материалов при производстве двигателей, крыльев и фюзеляжей, в том числе значительном повышении доли нанотехнологий, и, самое главное, новаторские кадры, способные этот прорыв обеспечить.

Военный аналитик Том Маккарти (Tom McCarthy), автор статьи Molecular Nanotechnology and the World System[14], заявляет, что нанотехнологии фундаментально изменят природу войны. Во-первых, это то, чего можно ожидать от инновационных и потенциально могущественных идей: нанотехнологии сделают войну гораздо более опасной и опустошительной, чем когда-либо в прошлом, в частности благодаря возможности создавать оружие огромной разрушительной силы. Во-вторых, нанотехнологии позволят странам вести войну при существующем миропорядке.

Отмечается, что нанооружие объединит оба пути развития вооружения. Благодаря возможностям наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых видов вооружений, более коварных и жестоких, чем даже биологическое или химическое оружие. Изготовленные с атомарной точностью с помощью молекулярной нанотехнологии новые виды оружия и боевых роботов окажутся, возможно, сопоставимыми с бактериями, но значительно более универсальными и мощными. Кроме того, таких нанороботов, в отличие от бактерий, можно будет программировать, а при необходимости — разбирать, используя как строительный материал для других целей на молекулярных нанофабриках.

Войну выигрывает тот, кто сможет уничтожить танки, самолеты, авианосцы, а также заводы и фабрики противника. Но если супероружие эпохи нанотехнологий невидимо, вроде невидимых фабрик, тогда и цели для удара не существует, опять же за исключением людей.

«…Развитие радикально новых видов оружия всегда сопровождается нарушением установленных международным сообществом правил»[15]. Как заявляют некоторые эксперты, технология молекулярного производства приведет к созданию значительно более опасных видов вооружения, чем существуют сегодня. Следует ожидать, что некоторые государства, отдельные группы людей или организаций предпримут попытки к их обладанию в террористических или иных целях. Можно объявить международный мораторий распространения такого оружия или полного его запрета, но будь это луки и стрелы (Второй Латеранский Собор, 1159 год) или ядерное оружие (Генеральная Ассамблея ООН, 1946 год), ни к чему кардинальному такой мораторий не приведет. «По одному меткому выражению, мечи не перековываются на орала. Они ржавеют», — заявляется в статье.

Представьте себе устройство (боевого робота) размером с мельчайшее насекомое (около 200 мкм), способное самостоятельно перемещаться, обнаруживать незащищенных людей (солдат или просто мирное население) и впрыскивать им яды. Учитывая, что смертельная доза токсина ботулизма составляет 100 нг или около 1/100 объема всего устройства, количества подобного оружия в 50 млрд единиц, способного храниться в обыкновенном дипломате, достаточно, чтобы убить всех людей на Земле.

Маккарти делает вывод, что нанотехнологии будут способствовать снижению степени экономического влияния отдельных государств (или даже военных блоков. — Прим. автора). В ходе боевых действий целью воюющих армий будут живые ресурсы, то есть солдаты и мирное население, а не военная техника и промышленные предприятия. Поскольку нанотехнологии обещают возможность организации промышленного производства даже в регионах, где нет минеральных ресурсов, они сделают небольшие группы людей вполне самодостаточными, что может способствовать распаду государственного устройства мирового сообщества.

Однако некоторые известные эксперты и ученые отмечают более глобальную потенциальную опасность нанотехнологий. Эрик Дрекслер, почетный председатель американского Института предвидения (Foresight Nanotech Institute — ведущая нанотехнологическая организация США, активно занимающаяся пропагандой данного направления), почти 20 лет назад выдвинул катастрофический сценарий «серой слизи» (grey goo problem), который предполагает превращение поверхности планеты и всего живого на ней в единый слой однородной липкой пыли или слизи, если самокопирующиеся нанороботы, способные брать вещество из окружающей среды, выйдут из-под контроля. Этой точки зрения придерживался также Билл Джой (Bill Joy), один из основателей корпорации Sun Microsystems, который неоднократно высказывался об опасности развития нанотехнологий.

Роберт Фрейтас, известный эксперт в области наномедицины. в работе «Некоторые ограничения, касающиеся угрозы уничтожения биосферы наноассемблерами и рекомендации по общественной безопасности»[16], заявляет, что нашествие «серой слизи» вызовет интенсивное и значительное повышение температуры, а это не позволит человечеству оперативно отреагировать на возникшую угрозу. Если же скорость воспроизведения нанороботов окажется не очень высокой и сильного повышения температуры не произойдет, то для уничтожения биосферы Земли потребуется не менее двадцати месяцев, следовательно, у человечества появится возможность противостоять опасности уничтожения.

Если же работу самокопирующихся роботов удастся контролировать, они окажутся идеальным оружием, что вызывает повышенный интерес армейских кругов. В любом случае, поскольку функционирование всех устройств микромира носит вероятностный характер, всегда возможны непредсказуемые мутации наноавтоматов под влиянием внешних воздействий, приводящие к отказу от выполнения заданной программы и разрушительному поведению.

Пока гипотеза «серой слизи» не выдерживает критики: ведь для автосборки нанороботу нужны пальцы-манипуляторы, современные аналоги которых (микроэлементы модифицированных атомных микроскопов) значительно превосходят размеры атомов, что в принципе не позволяет создавать автономные сборщики наноразмеров. Кроме того, такие манипуляторы весьма несовершенны: в них внедряются посторонние атомы, и пока неясно, можно ли исключить все эти побочные эффекты, как подобные роботы смогут получать необходимую энергию, и будет ли она рассеиваться в результате масштабных молекулярных преобразований. На данный момент гипотеза «серой слизи» (в том виде, в каком она сформулирована) противоречит законам термодинамики. В настоящее время Э. Дрекслер опроверг собственный сценарий, считая его невероятным: «История про “серую слизь” является весьма захватывающей, однако те исследования, которые ведутся сейчас в области молекулярной сборки, не имеют с ней ничего общего. Идея о том, что молекулярные нанотехнологические системы могут выйти из-под контроля, основана на устаревшей информации». Впрочем, теоретическая возможность создания автосборщиков остается, и то, что кажется совершенно нереальным сегодня, завтра вполне может стать обыденностью. Показательно, что в 2003 году один из призов Института молекулярного производства (IMM), работа которого финансируется Институтом предвидения, был присужден за теоретические разработки по созданию стражей, способных контролировать деятельность авторепликаторов.

Более вероятна гипотеза «зеленой слизи» (green goo problem). Ученые предупреждают, что существует реальная возможность создания разрушительных вирусов и бактерий, которые, быстро размножаясь, просто уничтожат всю жизнь на планете, разобрав белковые структуры на отдельные молекулы. В технологическом плане эта задача проще — вирусы могут пользоваться строительным материалом и готовыми энергоресурсами клеток. Так, в 2002 году группа американских ученых заявила, что создала искусственным методом поливирус, потратив на эту работу более трех лет. В ноябре 2003 года появилось сообщение о том, что ученые Института альтернативных биологических источников энергии (г. Роквилл, шт. Мэриленд) собрали за 14 дней точную живую копию вируса PhiX из коммерчески доступных материалов. PhiX известен тем, что стал первым земным существом, генетический код которого был расшифрован в 1978 году. Его геном состоит из 5386 элементов, которые ученые состыковывали вручную.

В будущем ученые намерены сконструировать подобным образом искусственную бактерию и попробовать автоматизировать технологию сборки ДНК, чтобы в дальнейшем создавать более сложные живые организмы. Данный проект вызвал неодобрительные комментарии представителей ЦРУ, опасающихся, что технологии разработки вирусов могут оказаться доступными странам, поддерживающим глобальный терроризм.

С идеей создания нанороботов (которые, по прогнозам, должны появиться через 10–15 лет) также был не согласен Ричард Смолли.

Хочется надеяться, что знаменитый закон робототехники, сформулированный американским фантастом Айзеком Азимовым: «Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому закону», — будет такой же неотъемлемой частью программ создания и применения и нанороботов.

Нанотехнологии, косметология и медицина

Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы ее намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли.

С. Иванов, вице-премьер Правительства Российской Федерации

В начале хотелось повторить слова, озвученные одним из нас в интервью интернет-изданию «АиФ-онлайн» под заголовком «Косметика с нанотехнологиями — научное чудо или рекламный трюк?» о твердом убеждении, что настоящую революцию нанотехнологии сначала произведут именно в медицине, а впоследствии полученные результаты дадут мощный толчок к развитию и других отраслей.

По многочисленным прогнозам, химерные нанобиоструктуры (созданные на основе генетически модифицированных вирусов, молекул нуклеиновых кислот энзимов и имеющие возможность транспортировать по организму медицинские нанодатчики, лекарственные препараты и даже ремонтные клетки) будут разработаны в ближайшие 10–12 лет, а уже через 15 лет войдут в повседневную практику подобно прививкам или флюорографическому обследованию.

Подобного мнения придерживаются многие современные ученые-футурологи, в том числе Рей Курцвейл. Он говорит: «Возможно, мои рассуждения покажутся кому-то неправдоподобными, но искусственные поджелудочные железы и нервные волокна существуют уже сейчас».

В соответствии с выдвинутым им Законом ускоряющейся отдачи, ученый заявляет: «Я и многие мои коллеги полагаем, что примерно через двадцать лет в нашем распоряжении окажутся средства для повторного биологического программирования человеческого организма. Таким образом, мы сможем остановить, а затем и полностью свести старение на нет».

В своей книге «Сингулярность уже близка»[17] ученый фактически предсказывает наступление биологического бессмертия человека, но бессмертия относительного, основанного на нано-биотехнологическом ремонтном воздействии на органы и саму сущность человека.

В относительно скором будущем, утверждает футуролог, нанороботы, введенные в кровь, сделают функционирование сердечно-сосудистой системы человека в тысячи раз более эффективной. «Через 25 лет мы будем в состоянии пробежать олимпийскую спринтерскую дистанцию за 15 с в буквальном смысле на одном дыхании или плыть под водой четыре часа без кислорода», — говорит он.

Рей Курцвейл уверенно заявляет, что с помощью нанотехнологий можно будет создавать жизнеспособные ткани для восстановления пораженных болезнью или врожденных дефектных органов человеческого тела.

«Пострадавшие от сердечных приступов, даже не пожелавшие пересадить себе доступное по цене бионическое сердце, смогут жить без опаски, периодически наведываясь к врачу для проведения небольшой операции, потому что управляемые нанороботами клетки их собственной крови будут поддерживать организм в нормальном состоянии», — утверждает он.

В связи с вышесказанным, нам кажется несколько странным называть человеком (с его природной уязвимостью, чувствами, пороками, верой в Бога и т. д.) кибернетическое существо, напичканное нанодатчиками, частично собранное из биологических и синтетических полимерных материалов.

Идеи и предсказания Курцвейла, как и ряда других футурологов от нанотехнологий, вступают в неразрешимый конфликт с христианской моралью и поэтому категорически отвергаются церковью.

Пожалуй, на этом стоит остановиться и поговорить о более приземленных делах и проблемах. Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы — частицы дисперсной фазы Золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло — чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

История, сделав круг, снова вернулась к нанотехнологиям в области дезинфицирующих средств. Мы уже неоднократно рассказывали в данной книге о бактерицидных свойствах наночастиц серебра, используемых в различных дезинфицирующих материалах, включая краску, одежду и даже напитки.

Речь уже не идет о простом мыльном пузыре, а о современных нанотехнологических разработках в данной области американской компании EnviroSystems. Ученые и технологи компании создали высокоэффективное дезинфицирующее, но безопасное для человека и животных средство EcoTru®. В нем используются наночастицы, которые, проникая внутрь бактерий, уничтожают их изнутри. Они действуют очень избирательно, поражая только бактерии и микробы.

Президент EnviroSystems Диана Хоффман (Diana Hoffman) утверждает, что EcoTru ® значительно снижает распространение широкого диапазона возбудителей инфекционных заболеваний, включая вирус СПИДа, кишечную палочку, сальмонелл. Препарат за пять минут убивает чрезвычайно жизнеспособную бациллу туберкулеза.

Еще в 2003 году компания получила от Агентства по охране окружающей среды США (US Environmental Protection Agency) разрешение на использование своего дезинфицирующего средства на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами. В настоящее время средство может успешно применяться в ресторанах, гостиницах, столовых и на предприятиях пищевой промышленности: заводах по производству напитков, пивоваренных заводах, молокозаводах и при мясо— и рыбопереработке. При этом практически отпадает необходимость в использовании защитной одежды и резиновых перчаток для персонала, работающего с этим препаратом.

Другим древнейшим применением наноматериалов в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц тоже содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.

В работах Центра исследований и реставрации французских музеев (Centre de recherche et de restauration des musees de France) под руководством доктора Филиппа Вальтера (Philippe Walter) указывается, что древний процесс окрашивания волос в черный цвет, применявшийся египтянами, греками, а затем и римлянами, основан на применении минерала галенита (дисульфида свинца).

Натуральную (природную) черную окраску волосы имеют из-за наличия в поверхностном слое скоплений частиц меланина размером около 300 нм. Так как частицы галенита диаметром всего около 5 нм (сопоставимы по размеру с квантовыми точками), проникая в структуру волос при окраске, играют роль меланина, достигается устойчивое окрашивание. Достоинством древнего способа окрашивания является минимальное негативное влияние на механические свойства волоса.

Наверное, уже многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитную воду, производители которой уверяют нас в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на нее природных фуллеренов (рис. 75). Расскажем о такой воде немного подробнее. Дело в том, что в Карелии вблизи Онежского озера многие века существовал целебный источник, возле которого еще российский император Петр I повелел построить первый в России курорт «Марциальные воды». Люди издревле использовали целебные свойства этой воды. Особенностью ее является тот факт, что такую воду нельзя долго хранить — через несколько часов она теряет свои уникальные свойства.

Рис. 75. Бутылка марциальной воды

Проведенные в Украине и Карелии исследования показали, что марциальная вода является следствием воздействия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, явилось следствием падения большого углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг себя водный кластер, размеры которого во много раз больше его собственного диаметра. Это связано с тем, что в обычной воде (Н2О) состояние и количество образующихся кластеров нестабильно (мерцающее). Кластеры существуют миллиардные доли секунды (наносекунды) и распадаются, а затем образуются вновь, то есть мерцают.

Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидантное действие, то есть улавливать свободные радикалы, являющиеся «обломками различных органических соединений» и разрушающие живой организм. Высокими антиоксидантными свойствами обладают витамины А, С, Е, янтарная кислота и ряд других веществ.

Проведенные исследования с применением марциальных вод указывают на высокий оздоровительный эффект при раковых заболеваниях, атеросклерозе, диабете, болезнях почек и печени, нарушениях в работе мозга и т. д.

Однако у этих исследований есть и свои противники. Ряд ученых выражают озабоченность в связи с открытой продажей шунгитовой воды именно потому, что в ней, в отличие от марциальных вод, могут находиться и фрагменты фуллеренов, которые, как известно, крайне нестабильны. Употребляя воду, настоянную на шунгите, человек может выпить не только полезные кластеры. Фуллерены или их осколки с легкостью преодолевают гематоэнцефалический барьер, то есть проникают в живые ткани, в том числе и мозг. В то же время эти наноразмерные частицы могут еще и транспортировать на себе самые разные вещества, которые в норме барьер не проходят и в нервные ткани не проникают.

Применение в строительстве асбестоцементных плит (например, из них изготавливают стены ванной и туалета) во многих странах мира считается опасным. Асбест состоит из мелких игольчатых микро— и наноструктур. Шахтеры, которые добывают асбест и много лет подряд вдыхают асбестовую пыль, почти гарантированно получают рак легких из-за воздействия этой пыли. В целях заботы о здоровье во многих странах мира асбестовые конструкции демонтируют. Можно вспомнить пример со зданием правительства в бывшей Восточной Германии, которое новые власти практически снесли из-за активного применения в нем асбестовых материалов.

Нелепо предположить, что можно взять минерал (камень) из того же алюмосиликата, измельчить его, затем настоять на нем воду и предлагать потребителю. Применение шунгитовой воды должно осуществляться под строгим медицинским контролем, с длительным изучением как возможных положительных, так и отрицательных последствий.

Впервые нанотехнологические разработки в изготовлении косметических средств в 1999 году применил профессор Израильского технологического института Дов Ингман (Dov Ingman) во время научных исследований, проводимых американской компанией Leorex, которая сейчас выпускает серию самых различных нанотехнологических косметических средств для омоложения и регенерации кожи.

На постсоветском пространстве лавры первенства в применении нанотехнологий в косметологии принадлежат российской компании «Лаборатория Низар» во главе с кандидатом медицинских наук Умаром Усмановичем Ахсяновым. Предприятие имеет более чем 25-летний опыт научных исследований в медицине и косметологии и в настоящее время выпускает высокотехнологичную нанокосметику марки «DeKAROline» (рис. 76).

Нанокосметика от «Лаборатории Низар» создана в сотрудничестве со многими известными косметическими торговыми марками мира на основе запатентованной технологии «Низацелл». Как указано в рекламных проспектах фирмы, она позволяет создавать косметические средства с многокомпонентной эмульсионной системой — функциональным аналогом живой клетки — и объединить в одной рецептуре жиро— и водорастворимые вещества, а также несовместимые в обычных условиях биологически активные вещества.

Продукция «DeKAROline» представляет собой наносыворотки Beauty Now, которые содержат гиалуроновую кислоту, пептидный комплекс на основе змеиного яда и карловарскую термальную соль (в виде изотонического раствора). При этом подбор биологически активных компонентов осуществляется в соответствии с потребностями того или иного типа кожи, различного возраста, например серии Vital (+25), Triumph (+35), Renewal (+45) и Elite — комплекс для преждевременно увядшей кожи на основе карловарской минеральной соли с добавлением масел ши, жожоба и макадамского ореха.

Рис. 76. Отечественная нанокосметика «DeKAROline»

Ряд отечественных производителей, успешно применяющих в своей продукции различные достижения нанотехнологий, наоборот, этот факт не афишируют, чтобы не отпугнуть потенциальных покупателей, напуганных «наношумихой», заявлениями ряда ученых, политиков и антирекламой. Но в целом, несмотря на все вышесказанное, производство и продажа косметической, да и вообще нанотехнологической продукции, стремительно растет, а производители не боятся указывать на этикетке то, что они используют нанотехнологии.

Какова же ситуация с нанотехнологической косметикой у нас в стране? В 2008 году Сергей Иванов неоднозначно заявил, что нанотехнологии пока освоили только жулики, которые уже рекламируют всевозможные нанокремы. «Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы ее намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли», — предупредил первый вицепремьер. Другие жулики тем временем пытаются покуситься на 130 млрд рублей, которые государство выделило госкорпорации «Российские нанотехнологии», и представляют «завиральные и фактически неосуществимые проекты».

Следует признать, что действительно рекомендации по применению косметических средств должны основываться на длительных и всесторонних исследованиях, которых в настоящее время пока недостаточно.

Показано, что наночастицы очень опасны для мембран клеток. Например, эпителиальные клетки человека и клетки печени были разрушены наполовину через 48 часов при выдерживании их в сильно разбавленном (до 20 частей на миллиард) растворе фуллеренов. Однако установлен возможный путь предотвращения потенциального токсического действия этих молекул: чем больше гидроксильных групп связано с молекулами фуллеренов, тем менее токсичными они становятся (до 10 млн раз). Проблема лишь в том, что модифицированные фуллерены могут восстановить токсичность, например, под действием ультрафиолетовых лучей, разрушающих гидроксигруппы.

Еще в 2006 году Еврокомиссия установила допустимое содержание наночастиц в косметических средствах около 5 %. Однако проведенные в странах Европы социологические исследования свидетельствуют о том, что развитие косметических нанотехнологий существенно сдерживается отсутствием высококвалифицированных специалистов и определенными опасениями общественности (в том числе научной), которые связаны с возможными негативными последствиями влияния наночастиц на человека и окружающую среду.

Под давлением общественного мнения, 24 марта 2009 года Европарламент в первом чтении одобрил законопроект нового Косметического регламента, в том числе запрещающего использовать в производстве косметики наночастицы, если они могут представлять риск для здоровья людей. Впервые в законодательном тексте Евросоюза упоминается термин «наночастица» сразу в запрещающем контексте. В поддержку запрещающего законопроекта проголосовало подавляющее большинство парламентариев.

Решение, по мнению парламентариев, основано на том, что в мире пока проведено недостаточно исследований о влиянии наночастиц на здоровье, и многие эксперты опасаются, что наночастицы могут оказаться токсичными для организма. При этом вся косметика с наночастицами должна проходить специальную, более строгую процедуру тестирования. Европейские законодатели требуют, чтобы потенциальные риски при использовании наночастиц в косметике были всесторонне исследованы Научным комитетом ЕС по потребительским товарам.

Принятое решение одобрила не только Еврокомиссия, но и Европейская косметическая ассоциация, включающая таких крупнейших производителей косметики, как Procter & Gamble, L’Oreal, Unilever и др. Более того, Европейское общество защиты прав потребителей (BEUC) выразило беспокойство в связи с тем, что правила вступят в силу только с 2012 года, тогда как косметика с наночастицами уже вовсю продается во многих магазинах.

Как я уже отмечал, такие заявления и решения, конечно, не добавляют энтузиазма производителям, а тем более оптимизма покупателям косметической продукции, содержащей наночастицы или созданной с использованием нанотехнологий. На мой взгляд, тот факт, что нанокосметика, кремы и шампуни на основе нанотехнологий уже появились в открытой продаже, говорит о том, что они в той или иной мере востребованы потребителем (всеми нами) и не вызывают отторжения, а подтверждают свою высокую эффективность.

Так, Американское национальное агентство по контролю фармацевтических препаратов и продуктов питания (Food and Drug Administration), в отличие от европейцев, пока не требует от производителей указывать на своих товарах информацию о возможном применении наноматериалов.

Например, как становится ясным из названия, «Фуллереновый крем для лица C-60» от американской компании Zelens включает фуллерены. По заверениям представителей фирмы, они первыми сумели оценить и применить в косметике возможности фуллерена С60 как средства, обладающего высоким анти-оксидантным свойством. Не случайно в 2005 году «Фуллереновый крем для лица C-60», по мнению экспертов журнала Forbes, вошел в список десяти самых популярных нанотехнологических изделий мира.

Особенно интенсивно на рынке нанокосметических средств работают японские косметологи. Нанокосметика в Стране восходящего солнца производится с 2000 года. Это и понятно, так как Япония находится впереди планеты всей по уровню нанотехнологических разработок.

Лидер по продажам в Японии, ионизированная нанокосметика по уходу за лицом и телом Nano Pure, созданная на основе натуральной плаценты и полярно-кристаллической минеральной пудры, популярна во многих странах мира и пользуется заслуженным успехом у голливудских звезд.

Факт, что именно японцы, с их очень скрупулезным отношением к проблемам безопасности и вообще качества жизни, активно и успешно продвигают нанокосметику, указывает на то, что большинство опасений все же не имеют под собой реальных оснований. Хотя следует отметить, что японские производители до настоящего времени не обязаны указывать, содержат ли наночастицы их разработки, возможно, считая, что и без этого разработчик не посмеет вредить своему народу.

В настоящее время косметика, содержащая в своем составе различные наночастицы и нанокомплексы, выпускается многими известными фирмами, например Estee Lauder, L’Oreal, Dior, Lancome Neoglis и др.

Как следует из описания нанокосметической продукции наиболее известных мировых производителей, основное назначение этой линии косметики — защита кожи от воздействия свободных радикалов, увлажнение, питание, выравнивание рельефа, лифтинг, борьба с целлюлитом и т. д. При этом также могут решаться специфические и индивидуальные проблемы кожи: акне, пигментация, воспаления.

Следует разобраться, чем же привлекли наночастицы косметологов. Дело в том, что компоненты, традиционно применяемые в косметике до недавнего времени, направлены на создание маскирующего эффекта. Не случайно появился даже саркастический аналог слова «косметика» — «штукатурка». Можно сказать, что в определенной степени даже ее эстетические возможности в настоящее время практически исчерпаны, не говоря уже об оздоравливающем или омолаживающем назначении, который в большинстве случаев вообще не ставился в задачу.

Обыкновенные компоненты, входящие в традиционную косметику, действуют только на поверхностный роговой слой, который является естественным барьером на пути инородных молекул и частиц, стремящихся попасть в организм. Этот слой состоит из корнеоцитов — мертвых клеток, заполненных фибриллярным белком кератином и образующих роговые «чешуйки» толщиной 0,2–0,4 мкм и 40 мкм в диаметре. Поэтому эффективность воздействия на живые клетки кожи крайне незначительна. Мертвые клетки, не препятствуя циркуляции воздуха (дыханию кожи), защищают организм от проникновения в него крупных водорастворимых (гидрофильных) молекул и воды (как изнутри, так и снаружи), не позволяя косметике и лечебным средствам воздействовать на внутренние участки кожи и весь организм в целом.

В целях повышения эффективности применяемых косметических средств используют методы физического и химического воздействия на поверхностный слой кожи. Самый простой способ (физический) — удаление омертвевших клеток при помощи скраба. В то же время наука не стоит на месте, и в косметических лабораториях всего мира ученые активно разрабатывают новые высокоэффективные способы трансдермальной (через кожу) доставки лекарственных средств к необходимым участкам лица и всего тела.

Одним из направлений таких исследований и является применение наноразмерных биологических частиц, например на основе липосом. Микроскопический сферический мембранный пузырек был искусственно получен в лабораторных условиях (диаметром 2030 нм) путем добавления водного раствора к фосфолипидному гелю (рис. 77).

Рис. 77. Внешний вид и строение идеальной липосомы для доставки лекарственного вещества в клетку: 1 — полимер для стерической защиты; 2 — «молекулярный адрес» на полимерной ножке (иммуноглобулины); 3 — белки слияния (гемагглютинин); 4 — лекарственное вещество; 5 — липидные положительно заряженные частицы для компактизации ДНК; 6 — мембранообразующие липиды (фосфатидилхолин); 7 — липиды, дестабилизирующие мембрану

Биологически активные вещества, необходимые для регенерации и оздоровления кожи и даже внутренних органов, вводятся во внутренние пространства липосом или других наночастиц (дендримеров, фуллеренов, углеродных нанотрубок), своего рода специальные наноконтейнеры (нанокомплексы). В ядре наночастиц можно разместить широкий набор косметических масел и органических (липофильных) веществ (витамины А, Е и другие антиоксидантные вещества, ультрафиолетовые фильтры и т. д.). Обладая двухмерной структурой вне кожи, сразу после наложения косметического средства на кожу нанокомплексы проникают внутрь, тут же превращаются в трехмерные структуры и образуют структурированную «решетку». Это, по заверениям производителей, приводит к разглаживанию морщин, рубцов, шрамов и повышению эластичности кожи, связыванию свободных радикалов и защите кожи. Благодаря особым биологическим механизмам нанокомплексы выводят токсины из глубинных слоев кожи.

Достоинством липосом является их свойство переноса и защиты гидрофильных (водосодержащих) веществ (рис. 78).

Рис. 78. Строение молекулы фосфолипида. Х — различные гидрофильные химические группы

Основой для создания полимерных наночастиц, которые более совместимы с биологической структурой кожи, являются полимолочная и полигликолевая кислоты, полиэтилен-гликоль (ПЭГ), поликапралактон и др., а также их различные сополимеры. Поэтому липосомы, покрытые ПЭГ («липосомы-невидимки»), менее подвержены биодеградации (разрушению), вследствие чего обладают более длительным (пролонгированным) эффектом воздействия. Защитная оболочка такого наноконтейнера напоминает клеточную мембрану, а весь пузырек похож на клеточную органеллу.

Следует отметить не только косметические свойства применяемых наночастиц, но и потенциально высокое значение, которое может иметь их медицинское применение.

Один из классиков биофизики, гелио— и космобиологии, а также космической эпидемиологии, объясняющих процессы в биосфере Земли под воздействием Солнца и Космоса, Александр Леонидович Чижевский (1897–1964) еще в 1931 году в своей работе «Земное эхо солнечных бурь»[18] писал: «Введение в организм даже мельчайших доз того или иного вещества может обусловить то или иное направление функций отдельных его органов. Очень часто мы видим огромный физиологический эффект введения в организм таких ничтожных количеств того или иного действующего агента, которые не поддаются определению ни на меру, ни на вес…».

Использование в медицине специальных наночастиц в качестве носителей биологически активных молекул лекарственных средств позволит эффективно преодолевать различные барьеры организма, которые эти вещества не способны преодолевать самостоятельно (кожный, гематоэнцефалический), что в значительной степени изменит характер и эффективность действия препарата.

Липосомы могут свободно проникать непосредственно в живые клетки и поэтому используются для введения относительно токсичных лекарственных веществ только в пораженные болезнью участки организма, где оказывают максимальное, но не объемное, а местное лечебное воздействие. Например, при введении в кровь больного липосом, содержащих лекарственное средство метотрексат, реализуется следующий терапевтический механизм воздействия. Пораженные злокачественными клетками ткани имеют повышенную температуру, поэтому, когда липосомы проходят через кровеносные сосуды этих органов, их оболочка разрушается, и содержащееся внутри липосом вещество проникает в пораженные участки.

При этом трансдермальная доставка лекарственных средств, по сравнению с введением через кровяное русло, обеспечивает уменьшение нежелательных побочных эффектов, позволяет снизить эффективную дозу препарата за счет существенного повышения его локальной концентрации.

Для препаратов, вводимых в организм перорально (через рот) или в результате инъекции, концентрация в тканях больного увеличивается во времени по экспоненциальной зависимости. Применение же наночастиц обеспечивает равномерное увеличение концентрации препарата во времени, что позволяет более точно планировать дозировку и значительно продлить период действия препарата.

При этом металлические наночастицы, по заверениям производителей, даже более эффективны, чем липосомы. Металлические наночастицы (фуллерены, углеродные нанотрубки) более стабильны (то есть обладают низкой степенью окисления-разрушения) и могут проникнуть в глубокие слои кожи. Они эффективно проникают вглубь эпидермиса и обеспечивают доставку большего количества активных ингредиентов, чем липосомы.

По оценке основателя консалтинговой компании в области нанотехнологий CMP Cientifica Тима Харпера (Tim Xarper), уже к 2012 году общий оборот рынка нанотехнологической фармацевтики составит около 3,2 трлн долларов США.

В настоящее время ведутся достаточно интенсивные исследования по разработке методов доставки лекарственных наночастиц через волосяные фолликулы. Этот путь очень перспективен и эффективен, так как в области фолликулов находится не только скопление иммунных клеток, но и обнаружены стволовые клетки. Данный факт, возможно, позволит повысить эффективность лечебного воздействия наночастиц не только при кожной иммунизации, но и при направленной дерматотерапии и лечебном воздействии на весь организм.

Кстати, возникает вопрос: могут ли нанотехнологии стать альтернативой стволовым клеткам, применение которых столкнулось с вопросами этики?

Так вот, на мой взгляд, большинство противников исследований стволовых клеток лично никогда не сталкивались с проблемами, которые эти исследования могут в перспективе решить (или хотя бы позволить приблизиться к их решению), — наследственными и врожденными дефектами развития, а также многими неизлечимыми болезнями: детским церебральным параличом (ДЦП), болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона и др. Зато политические противники — премьер-министр Великобритании Гордон Браун и лидер оппозиции Дэвид Камерон — согласованно высказались за продолжение исследований в этой области, потому что сами воспитывают тяжелобольных детей, и для них это не этический вопрос, а вопрос жизни или смерти. У нанотехнологий противников не меньше — в той же самой Англии, например принц Чарльз. Но оба этих направления не являются альтернативными. Скорее, они дополняют друг друга.

В средствах массовой информации было опубликовано печальное известие — умер тяжелобольной шестилетний сын Дэвида Камерона — Айван. Стоит надеяться, что взаимно дополняющее развитие медицинских нанотехнологий и совершенствование методик применения стволовых клеток может позволить в будущем дать таким же безнадежно больным детям и вообще людям шанс не только жить, но и стать полноценными членами человеческого общества.

Директор Лаборатории нанофотоники (Laboratory for Nanophotonics), профессор Университета Райса в Хьюстоне Наоми Халас (Naomi Halas) и Питер Нордлендер (Peter Nordlander) создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами — наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляются специальные белки — антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.

Уникальная нанотехнология была успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.

Аналогичные исследования в данной области ведет австралийская фирма pSivida. Она изобрела новый способ точной дозированной поставки лекарства к раковой опухоли. Препарат BrachySil вводится в опухоль. Он содержит лекарство, убивающее раковые клетки. Однако самое сложное в подобных способах терапии — точная дозировка и постепенное (в течение многих дней) введение лекарства в организм. В противном случае эффект может быть обратным желаемому. BrachySil — это комплекс высокопористых кремниевых наночастиц (размер пор — 10 атомов). В его поры помещен действующий препарат, а также определенное количество изотопа фосфора-32 (период полураспада — 14 дней). Фосфор служит для регулировки разложения кремния, во время которого в опухоль и выпускается препарат. Вся технология базируется на том, что кремний в форме частиц нанометрового размера, в отличие от более крупных фрагментов, полностью перерабатывается организмом человека так же, как кремниевая кислота, содержащаяся в пище.

По заявлению ученых из университета штата Миссури (Колумбия, США), так как все человеческие болезни возникают на уровне клетки, «биологически совместимые зеленые и золотые наночастицы могут использоваться при диагностировании и даже лечении раковых и офтальмологических заболеваний».

Марк Гринстафф (Mark Greenstaff) из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран.

Исследователи из Гонконгского университета — профессора Ратледж Эллис-Бенке (Rutledge Ellis-Behnke) и Геральд Шнайдер (Gerald Schneider) дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.

«Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», — заявил профессор Эллис-Бенке.

Встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30 % от общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50 % и составить 15 млн человек в год.

Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 80 лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже, особенно у мужчин, продолжительность жизни которых, по некоторым данным, — всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения.

Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышей и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа (Samuel Stupp) и его коллеги из Северо-Западного университета (Northwestern University) в Эванстоне (Иллинойс, США). Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие нановолокна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.

Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и препараты ей не вводили. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы сердце восстановилось практически полностью и функционировало так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и подтверждены на подопытных кроликах.

В настоящее время для развития и коммерциализации своего изобретения доктор Стапп создал компанию Nanotope.

Преимущества медицинской нанотехнологии над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в организме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.

Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии (ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления рассеченной мышиной печени. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.

Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.

В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998–2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологий при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН на базе нанотехнологий создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.

Пломбировочные нанокомпозитные материалы нашли широкое применение в отечественной стоматологии для лечения и реставрации зубных дефектов. На российском рынке такие препараты представлены следующими наиболее известными компаниями (препаратами) в области производителей стоматологических материалов, в основном из США и Германии: Kerr (Herculite XRV Ultra), Heraeus Kulzer (Charisma OPAL), VOCO GmbH (Grandio Flow), Vivadent Ivoclar (Tetric N-Ceram), 3M.ESPE (Filtek Supreme XT) и др.

Особенность разработки таких нанокомпозиционных препаратов заключается в усовершенствовании состава и строения наполнителя за счет введения в его состав так называемых нанокластеров. Для этого дополнительно к достаточно крупному предварительно полимеризированному наполнителю (PPF) на основе композиционной смолы (размером около 0,7 мкм) и бариевого стекла (с размерами 0,4 мкм) вводится наполнитель на основе наночастиц диоксида кремния размером около 20–50 нм (рис. 79).

Рис. 79. Структура наногибридного композиционного материала: 1 — предварительно полимеризированный наполнитель (около 0,7 нм); 2 — наполнитель на основе бариевого стекла (0,4 мкм); 3 — наполнитель на основе диоксида кремния (20–50 нм)

Изолированные друг от друга неагломерированные частицы значительно повышают содержание наполнителя в материале (по объему — 71,4 %, по весу — 87 %). При этом увеличение содержания наполнителя и снижение его дисперсности до нанометрического размера обеспечивают:

• высокие прочностные (антиизносные) свойства (высокая долговечность);

• снижение полимеризационой усадки;

• превосходную полируемость;

• повышение эстетических свойств и светостабильности.

Кроме того, нанокомпозиционные материалы обеспечивают оптимальный баланс рабочих характеристик (свойств) материала: снижение объема полимеризационной матрицы; низкую прилипаемость материала к инструменту; легкость моделирования (формирования и пакуемости при реставрации зубов) и другие преимущества по сравнению с обычными материалами.

К сожалению, в этой области главенствующую роль занимают импортные материалы, хотя появляются и отечественные аналоги, а также собственные разработки.

Можно привести множество других примеров, подтверждающих, что в целом российская медицина имеет все потенциальные возможности для широкого внедрения нанотехнологий как зарубежных, так и отечественных производителей.

Например, российская компания ООО «РА» разработала аппарат для мембранного лечебного и/или донорского плазма-фереза и гемосорбции АМПлд-ТТ «ГЕМОФЕНИКС» и плазмо-фильтр «РОСА» на основе новейших мембранных технологий.

Плазмаферез является не только высокоэффективным, но и наиболее физиологичным, безопасным, доступным и относительно недорогим методом лечения. Разработанное оборудование предназначено для устранения последствий воздействия на организм человека отрицательных токсических факторов. Клинические исследования показали высокую эффективность применения данного оборудования в терапии многих острых, хронических и профессиональных заболеваний, в акушерстве и гинекологии, перинатологии, онкологии, хирургии, педиатрии, в лечении наркомании и алкоголизма, медицине катастроф, при массовых отравлениях.

Академик Российской академии медицинских наук (РАМН), главный акушер-гинеколог России Владимир Николаевич Серов высоко оценивает роль экстракорпоральных методов в комплексной терапии акушерских осложнений, эфферентной терапии в оказании медицинской помощи беременным, роженицам, новорожденным.

Не только ведущие специалисты из 94 лечебных учреждений страны, но и зарубежные ученые-медики подтвердили эффективность методики лечебного мембранного плазмафереза в оказании медицинской помощи. При этом отмечается, что отечественные медицинские учреждения остро нуждаются в установке такого оборудования для экстракорпоральных методов лечения.

Медицинские нанотехнологические исследования также развиваются стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей.

В средствах массовой информации рассказывается об исследовании так называемых реликтовых бактерий, относящихся к плейстоценовому периоду (возраст 30–35 тыс. лет), которые были обнаружены при бурении арктических скважин и прекрасно сохранили свою жизнеспособность.

Исследования, проведенные в научно-образовательном центре «Биокосные системы криосферы Земли» Тюменского государственного нефтегазового университета на опытных мышах, показали, что эти бактерии способны наделять организмы млекопитающих своей уникальной жизнестойкостью.

По словам доктора медицинских наук, профессора, заместителя председателя президиума Тюменского научного центра СО РАН Юрия Геннадьевича Суховея, уже прошли успешные исследования влияния препаратов, выделенных из этих реликтовых бактерий, на теплокровных животных. В результате подопытные мыши, которые должны были бы давно умереть, прекрасно ориентируются в пространстве, мышечная сила у них увеличилась в 5-10 раз, при этом они продолжают интенсивно размножаться.

В настоящее время готовится переход на клинические исследования влияния разработанных препаратов на человеческий организм. Для восстановления, заживления и регенерации тканей будут созданы особые гели и мази, для других целей — инъекции или специальные биостимуляторы.

Если к нанотехнологиям отнести эти и подобные исследования, а также достижения в генной инженерии, результаты вообще окажутся фантастическими, но в целом это уже другое направление, которое потребует написания отдельной книги, которую должны выпустить специалисты в данной области.

Как уже отмечалось ранее, к медицинским нанотехнологическим исследованиям и созданию нового лабораторного и клинического оборудования на основе нанотехнологий также необходим комплекс мероприятий по привлечению молодых специалистов и повышению квалификации (обучению) уже работающего персонала клиник и больниц.

При этом, конечно, нельзя говорить о том, что у нас в стране полностью отсутствуют высшие учебные заведения, где уже готовятся медицинские кадры в области нанотехнологий. Таких вузов более десятка, и их количество постоянно увеличивается.

Нанотехнологии, экология и сельское хозяйство

Не будем слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она мстит нам.

Фридрих Энгельс, экономист, философ

Следует отметить, что мир населен самыми разными (биологического и небиологического вида) объектами наноразмерного уровня (не более 100 нм хотя бы в одном измерении). В основном, все они достаточно недружественны для нашего организма. К ним относятся и вирусы, и обыкновенная сажа, присутствующая в отработавших газах дизельных двигателей, и наночастицы износа автомобильных шин, и даже обыкновенная нить паутины, представляющая собой жгут из множества переплетенных нановолокон.

Многие специальные медицинские исследования выявили, что наночастицы с размерами, позволяющими им достигать наиболее чувствительных тканей легких, вызывают воспаление. Так, Джон Джеймс (John James) из Космического центра Джонсона (Johnson Space Center) NASA в Хьюстоне и его коллеги вводили наночастицы в дыхательные пути мышей и затем наблюдали за ними в течение трех месяцев. Фуллерены не вызывали явных повреждений тканей, но углеродные нанотрубки влияли на работу легких и провоцировали смерть нескольких животных.

Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон (Hanna Karlsson), ученая из Karolinska Institutet (Швеция). По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы из автомобильных выхлопов. Исследование показало, что воздух в метро наполнен частицами железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, в результате чего в клетках организма образуются свободные радикалы. Свободные радикалы — это быстро-движущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом, как отмечает Карлссон, повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.

Нанотехнологии несут в себе ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды (EPA), NASA и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру (ETC Group) в результате совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры стенок и накапливаться в органах.

Поэтому при работе с наноматериалами рекомендуется использовать специальные средства защиты органов дыхания и рук. Учитывая высокую проникающую способность наночастиц, кожные покровы целесообразно защищать специальными кремами, создающими буферные слои на поверхности.

Аналогичные частицы возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. В глобальном масштабе автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20–27 млн т оксида углерода, 2–2,5 млн т углеводородов, 6–9 млн т оксида азота, 200–230 млн т оксида углерода (IV), а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайнов выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.

Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Выбросы сажи дизелем 6Ч 15/18 в смену достигают 1,2–1,6 кг, а дизелем 6Ч 13/14 — до 3 кг. Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр — 50-180 нм, масса — не более 10–10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50-200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20–90 %) обычно для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Касаясь важнейшей проблемы защиты человека и окружающей среды, следует рассматривать не столько возможные негативные последствия, сколько положительное влияние, которое нанотехнологии могут оказать на развитие окружающей среды и здоровье человека.

Рассматривая экологическую проблему больших городов, отдельных помещений и целых городских массивов, следует еще раз вспомнить работы А. Л. Чижевского. В 1933 году им было экспериментально установлено, что направленный поток аэроионов убивает микроорганизмы и осаждает пыль из воздуха, очищая его от основных загрязнений.

Полученные Чижевским опытные результаты и созданный им прибор по искусственной генерации легких ионов кислорода воздуха отрицательной полярности (электроэффлювиального аэроионизатора — знаменитая люстра Чижевского) нашли применение в современной медицине (аэроионотерапия), сельском хозяйстве, промышленной и бытовой гигиене. Во многих офисных помещениях можно встретить достаточно простые приборы, основанные на данном принципе, которые создают эффект горного воздуха и помогают людям справляться с многочисленными экологическими проблемами больших городов.

На аналогичных принципах в настоящее время разрабатываются устройства синтеза озона (с размерами частиц 1,5 нм в коронном электрическом разряде) непрерывного действия, используемые для поточной технологии очистки и обеззараживания рециркуляционного и внутреннего вентиляционного воздуха в системах микроклимата животноводческих помещений. Эти устройства позволяют снизить энергозатраты до 60 %, улучшить экологию внутри и вне зданий животноводческих ферм и повысить продуктивность животных на 5-10 %.

В Калифорнийском институте наносистем (California NanoSystems Institute) в лаборатории профессора химии Омара Яги (Omar Yaghi) завершены исследования синтетических высокопористых цеолитных материалов, которые селективно отбирают углекислый газ из газовой смеси и надежно удерживают его в своих многочисленных порах — 83 л СО2 в одном литре материала.

Как известно, цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов — это водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов со стеклянным или перламутровым блеском. Так вот, лишенный воды цеолит представляет собой нанопористую кристаллическую «губку» с общим объемом пор до 50 % всего объема минерала (рис. 80).

Рис. 80. Молекулярная структура цеолита с диаметром пор от 0,3 до 1 нм

Цеолиты имеют строго определенный диаметр входных отверстий (от 0,3 до 1 нм в зависимости от вида минерала) и являются высокоактивным адсорбентом.

В настоящее время известно более 600 типов цеолитов и только около 50 из них имеют природное (естественное) происхождение. Искусственные, или синтетические, цеолиты имеют классификацию А, Х и Y. Причем:

• тип А — кристаллическая структура на основе алюмосиликата натрия с диаметром пор 0,4 нм (4 А), что соответствует цеолиту с коммерческим названием 4 А (NaA);

• тип Х — кристаллическая структура натриевой формы (аналогична типу А), но с диаметром пор порядка 10А (фо-жазит), что соответствует молекулярным ситам 13Х (NaX);

• тип Y — кристаллическая структура типа Х, но с другим химическим составом молекулярного каркаса.

При использовании цеолитов в качестве адсорбирующего элемента происходит молекулярно-ситовый отбор при сорбции молекул из газа в жидкости, позволяющей разделять молекулярные смеси в интервале размера молекул в 10–20 пм.

В 2007 году Омар Яги и его коллеги из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) создали еще один органический кристалл, получивший наименование COF-108. Его составили из водорода, бора, углерода и кислорода, который имеет самую низкую плотность в мире — всего 0,17 г на см3.

Созданная учеными кристаллическая структура является кристаллом-пластмассой и относится к новому классу веществ, называемых «ковалентными органическими каркасами» (covalent organic frameworks, COF). Данная структура может быть использована в качестве каталитических мембран и резервуаров для топливных элементов и очистительных систем в автомобильной промышленности.

Фильтрующие и поглотительные системы углекислого газа, созданные из таких цеолитных материалов для автомобильной техники и тепловых электростанций, могут заметно снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, что предусмотрено требованиями Киотского протокола.

Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в агропромышленном комплексе (АПК) — биотехнология (прежде всего это относится к генной инженерии), производство и переработка продукции агропромышленного комплекса, очистка воды, а также проблемы качества продукции и защиты окружающей среды (в частности, сельскохозяйственных угодий).

Одной из самых главных проблем ближайших десятилетий станет проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3 %, из которых лишь 1 % потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.

Огромное значение имеет применение нанотехнологий для очистки и дезинфекции воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового поколения.

Другой важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.

Несмотря на протесты мировой общественности, в ряде регионов, особенно с большим приростом населения и неблагоприятными условиями для сельскохозяйственных работ, продовольственную проблему не удастся решить без разработки, создания и производства методами био— и нанотехнологий трансгенных высокопродуктивных растений, устойчивых к вирусной ин фекции.

Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.

В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.

Рассмотренные выше цеолитные материалы, вследствие значительной суммарной емкости пор и способности к ионному обмену с питательными микроэлементами (молекулами) удобрений, могут успешно применяться для обеспечения более длительного действия (эффект пролонгирования), предотвращения вымывания питательных веществ после внесения, а также в качестве носителя пестицидов. Установлено также положительное воздействие цеолитов на оптимизацию кислотности песчаных, заливных, вулканических и дерново-подзолистых почв, а также на предотвращение слеживания минеральных удобрений в процессе хранения.

Применение цеолитных материалов в земледелии из расчета 0,5–2 т на 1 гектар сельскохозяйственных угодий способствует повышению урожайности моркови на 63 %, баклажанов — на 55 %, риса — на 35 %, томатов и перцев — на 33 %, яблок — на 28 %, кукурузы — на 10 %, пшеницы — на 15 % и т. д.

В результате отмечается не только прирост урожайности, но и улучшение всхожести семян, повышение устойчивости растений к заболеваниям (например, ячменя — к мучнистой росе), а также длительное удержание влаги в почве, что особенно актуально для южных регионов или возможных периодов засухи.

Будет получен новый тип нанотехнологических препаратов для борьбы с фитопатогенными бактериями на основе использования новых микроорганизмов, впервые выделенных учеными Российской Федерации, — хищных нанобактерий, своего рода «живых антибиотиков» для растений.

В настоящее время создаются микробные препараты на основе ассоциативных, эндофитных и симбиотических бактерий для использования в качестве продуцентов и транспортеров в растения различных ферментов и низкомолекулярных биологически активных веществ (нанообъектов), которые способны улучшать адаптацию растений к неблагоприятным факторам среды: загрязнению токсичными металлами, засолению, повышенной кислотности почвы и засухе.

На основе металлоорганических наноразмерных структур микробного и растительного происхождения будут созданы технологии выведения токсичных элементов из системы ризосфера-микроорганизмы-растение, что позволит повысить устойчивость широкого набора сельскохозяйственных культур к неблагоприятным агроклиматическим факторам и условиям.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл. 16), а также для создания биосовместимых материалов, перестройки, облагораживания и восстановления тканей, создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.

Таблица 16. Идентификация сортовъх нанопризнаков методами оптической флуоресценции и отражения

В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5–3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.

Например, уже упоминавшиеся цеолиты успешно используются при производстве комбикормов и кормовых концентратов, которые подаются в пищу скоту и птице. При введении в рацион молодняка жвачных животных цеолитов учитываются их ионообменные свойства, способствующие ослаблению токсичного действия аммиака. В качестве иммуномодулирующей антитоксической кормовой добавки для животных предлагается использовать нано— и микропорошковые твердофазные ферменты (Bacillus subtilis ) тонкоизмельченных фитосубстратов.

Другое направление нанотехнологических работ в сельском хозяйстве — исследования в области применения бионанотехнологий. К ним относятся технологии по направленному белковому синтезу для получения пептидов с желаемыми иммуногенными свойствами. Создаются векторные системы для клонирования иммунологически значимых белков возбудителей особо опасных болезней животных и вакцины нового поколения, обладающие высокой активностью и безопасностью.

Активно ведутся исследования по получению наночастиц генно-инженерных протеинов, разработке биочипов и тест-систем для биологического скрининга, иммунологического мониторинга и прогнозирования опасных и экономически значимых инфекционных заболеваний животных (бешенства, бруцеллеза, кампилобактериоза, клостридиозов, гриппа свиней, некробактериоза, болезни Марека, гриппа птиц, бешенства).

Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра будет способствовать упрощению и повышению уровня содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.

Проводятся исследования по разработке нанобиотехнологических методов выявления маркеров, сцепленных с хозяйственно=ценными признаками, вирусными, бактериальными и паразитарными заболеваниями рыб и их возможному применению в практике рыбоводства при культивировании основных объектов аквакультуры.

В настоящее время во всем мире пищевыми компаниями проводятся интенсивные исследования в области нанобиотехнологий функциональных пищевых добавок и веществ с применением методов ультра— и нанофильтрации, нанокапсулирования, дезинтеграции, а также использованием направленной контролируемой ферментативной модификации нанобиоструктур, например сыров, йогуртов и т. д.

Пищевые компании все чаще применяют в продовольственных товарах (продукты питания, напитки, жевательная резинка) биологические наночастицы размерами в несколько сотен атомов.

«Нанотехнологически видоизмененные продукты позволят улучшить здоровье людей», — считает химик из института прикладной химии Еврейского университета в Иерусалиме (Casali Institute ofApplied Chemistry in the Hebrew) Ниссим Гарти (Nissim Garti), предложивший создавать наноконтейнеры из витаминов и пищевых кислот по аналогии с косметическими разработками.

По словам ученого, капсулы размером 10-100 нм значительно лучше растворяются, а потому подвижнее и эффективнее обычных вкусовых и ароматических капельных добавок. Это метод уже предложен предприятию Nutralease для усиления аромата кофе. Молекулы сахара и аминокислот заключены в особые нанокапли, которые разбрызгивают по кофейным зернам. В обычных условиях ни аромат, ни вкус ничем не проявляются, что, возможно, не является достоинством разработки. Однако под воздействием горячей воды при приготовлении нанооболочки разрушаются, и субстанции смешиваются с кофе, придавая необходимый и стойкий вкус. При этом введением в нанокапсулы тех или иных компонентов можно достичь самых разнообразных вкусовых оттенков.

Похожий метод также используют и для обработки шоколадных кондитерских изделий. Например, нанометровый слой диоксида титана, нанесенный на шоколадный батончик Mars, увеличивает его срок хранения в несколько раз. Фактически получается продукт, упакованный в оболочку (нанофольгу) из оксида титана. При этом сам нанометровый оксид титана также способен усваиваться организмом.

Однако, как и в случае с нанокосметикой, степень безопасности широкого применения нанотехнологических добавок пока однозначно не установлена.

Голландская фирма Friesland Foods — один из крупнейших в мире производителей сыров — разрабатывает технологию применения наноразмерных сит, более приемлемых с точки зрения безопасности конечного продукта. Цель этих работ — высокоэффективное разделение (сепарация) молока на протеины, полисахариды и молекулы жирных кислот.

По мнению участников Международного конгресса Nano 4 Food, проходившего в голландском городе Вагенинген, уже в ближайшем времени нанотехнологические добавки, способные изменять вкус и питательные свойства продуктов, станут обязательным компонентом многих пищевых продуктов.

Становится немного жаль, что в будущем вкус и аромат хрустящих французских булочек, бельгийских шоколадных кремов, изысканных голландских и швейцарских сыров станет не заботой умелых рук и теплотой душ известных всему миру мастеров, а одним из изделий заводов и фабрик по производству синтетических нанодобавок.

Перспективы развития нанонауки

Чтоб все знали — и бизнес, — что если он сегодня не пойдет в нанотехнологии… он пропустит все на свете. И будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине… которой будут управлять наши друзья и партнеры.

М. Фрадков, премьер-министр Российской Федерации (2007 год)

Согласно исследованиям, проведенным Foresight Nanotech Institute в 2005 году, использование нанотехнологий в будущем позволит решить ряд наиболее значимых для человечества проблем.

Как уже неоднократно упоминалось, нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов напрямую из заданных атомов и молекул и новые открытия в химии и физике, способные оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры механических устройств при приближении размера компонентов к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что ученые недооценивали важность электрических, оптических и других эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознается, что электрические и другие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.

Произведя соответствующее масштабирование, Э. Дрекслер получил следующие численные оценки различных эффектов:

• позиционирование реагирующих молекул — с точностью около 0,1 нм;

• механосинтез — с производительностью около 106 операций/с на устройство;

• молекулярная сборка объекта массой 1 кг — ориентировочно за 104 с;

• работа наномеханического устройства — с частотой до 109 Гц;

• логический затвор — объемом около 10–26 м3, с частотой переключения менее 0,1 нс и рассеиваемой теплотой 10–21 Дж;

• компьютеры — с производительностью до 1016 операций/с/Вт; компактные вычислительные системы на 1015 млн команд в секунду.

Возможно и молекулярное производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство массой около 60 кг («настольная нанофабрика») сможет с молекулярной точностью изготовить объект объемом около 1 л и массой около 4 кг примерно за три часа. Это позволило бы за два дня создать вторую такую же нанофабрику; удвоение их количества каждые два дня дало бы возможность за два месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого жителя Земли.

Согласно прогнозам Министерства торговли Великобритании, в 2015 году спрос на нанотехнологии составит не менее 1 трлн долларов в год, а численность специалистов, занятых в данной отрасли, вырастет до 2 млн человек.

По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation, объем рынка товаров и услуг в мире с использованием нанотехнологий в ближайшие 10–15 лет может вырасти до 1 трлн долларов:

• материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционным способом, займут рынок объемом 340 млрд долларов в ближайшие 10 лет;

• в полупроводниковой промышленности объем рынка нанотехнологичной продукции может достигнуть 300 млрд долларов в ближайшие 10–15 лет;

• в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека;

• в фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий. Объем продукции с использованием нанотехнологий составит более 180 млрд долларов в ближайшие 10–15 лет;

• в химической промышленности наноструктурные катализаторы уже применяются при производстве бензина и в других химических процессах, причем рост рынка составляет приблизительно до 100 млрд долларов. По прогнозам экспертов, рынок таких товаров увеличивается на 10 % в год;

• в транспортной промышленности применение нанотехнологий и наноматериалов позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили. Только рынок авиакосмических изделий может достичь 70 млрд долларов к 2010 году;

• в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить более экономичные способы фильтрации воды и ускорить развитие таких возобновляемых энергетических источников, как высокоэффективное преобразование солнечной энергии. Это позволит снизить загрязнение окружающей среды и экономить значительные ресурсы.

В настоящее время (с участием автора данной книги), в рамках общего проекта изучения рынка нанотехнологий, Институт статистических исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) Государственного университета «Высшая школа экономики» (ГУ-ВШЭ) в соответствии с контрактом с «РОСНАНО» проводит Форсайт-исследование. Это прогноз рынков наноиндустрии на основе массового опроса отечественных и зарубежных экспертов по методу Дельфи (многоуровневый анкетный опрос экспертов с обратной связью), а также построение системы дорожных карт применения нанотехнологий в различных областях, в том числе энергосбережении, аэрокосмической технике и т. д.

Цель данного исследования — построение прогнозов рынков сферы нанотехнологий и определение наиболее перспективных направлений развития данных рынков (изделий и технологий) на кратко-, средне— и долгосрочный период (до 2030 года).

Прогноз ориентирован на определение конкретных групп и видов продуктов, инновационные свойства которых будут определяться использованием принципиально новых компонентов, создаваемых на положениях нанонауки.

Опрос экспертов в области нанотехнологий по методу Дельфи проводится в два раунда. При этом результаты, полученные в первом раунде, обобщаются, а затем уточняются при проведении второго раунда исследований.

Конечно, чрезмерное увлечение Форсайт-исследованиями вызывает у ряда политиков и ученых определенный сарказм, но в целом следует отметить, что такие исследования позволяют провести достаточно квалифицированную и объективную оценку текущего состояния науки и технологий, а также определить перспективные направления их развития.

Отечественные и зарубежные эксперты из ИСИЭЗ (Россия), консалтинговой компании Lux Research (США), Ассоциации независимых исследовательских институтов (Association of Independent Research Institutes, Великобритания), Центра нанотехнологий (Nanotec IT, Италия) и др. на основании материалов дорожных карт развития нанотехнологий (Roadmaps at 2015 on nanotechnology application in the sectors of materials, health & medical systems, energy, 2006) выделяют три (некоторые — четыре) основных этапа развития или появления поколений наноразработок.

Первый этап (2000–2005), который назвали «пассивные наноструктуры» (инкрементные нанотехнологии), в основном, характеризовался производством и применением нанодисперсных нанопорошков. В целях модифицирования свойств базовых материалов их вводили в самые различные конструкционные материалы: металлы и сплавы, полимеры и керамику и т. д., а также добавляли в лекарства, косметику, пищу и другие изделия. В настоящее время это достаточно примитивное поколение наноматериалов уже широко освоено производством, и их можно обнаружить во многих товарах народного потребления. При этом лишь немногие наноразработки уже нашли свое применение в высокотехнологичных отраслях промышленности.

Более «продвинутым» направлением такого вида нанотехнологий являются разработки в области мембран и каталитических систем. Это направление — одно из наиболее конкурентоспособных на внутреннем рынке, так как для переработки в ароматические соединения попутных углеводородных газов нефте— и газодобычи могут успешно применяться нанопористые катализаторы, технологии получения керамических нановолокон и нанонитей этого функционального назначения.

Потребность в нанокомпозиционных мембранах для решения проблемы дефицита питьевой воды в текущем и ближайшем десятилетии оценивается в сумму от 10 до 100 млн долларов США.

Второй этап «эволюционных нанотехнологий» (2005–2015) ряд экспертов и ученых делят на два самостоятельных периода: «активные наноструктуры» (2005–2015) и «системы наносистем» (2010–2015), которые, как мы видим, пересекаются в сроках появления и развития. Данный этап будет характеризоваться прорывом в области нанотехнологической инновационной деятельности. В целом, как уже отмечалось, на первом этапе предусматривается создание компонентов наноэлектроники, фотони-ки, нанобиотехнологий, медицинских товаров и оборудования, нейроэлектронных интерфейсов и наноэлектромеханических (НЭМС) систем. Роль первичных наноматериалов (пассивных наноструктур) значительно снизится.

К 2014 году значительно повысится роль нанобиотехнологий в фармацевтической промышленности (до 23 %) и косметической отрасли. Нанотехнологии будут использоваться во всей (100 %) компьютерной и радиоэлектронной технике, в 85 % бытовой и 21 % автомобильной техники.

Затем на базе полученных результатов планируется осуществить переход к управляемой самосборке наносистем, созданию трехмерных сетей, нанороботов и т. п. Оба вида этих нанотехнологий пока находятся на этапе исследований в научных лабораториях или проходят этап создания прототипов.

Большинство экспертов считают, что принципиальные изменения в различных отраслях экономики нанотехнологии внесут уже после 2015 года. Так что нанотехнологическая революция уже не за горами. Будет ли общество готово принять новые блага цивилизации, как это было с паровыми машинами, электричеством и компьютеризацией, или нанотехнологии наткнутся на противодействие мировой общественности, как это происходит во многих странах по отношению к атомной энергетике?

Третий этап развития нанотехнологий — «молекулярные наносистемы», или «радикальные нанотехнологии», — начнется только после 2020 года. Данные системы существуют пока только в виде концепций и фантастических проектов. К ним относятся молекулярные устройства, атомный дизайн и т. д. Часть из них мы рассмотрели в предыдущих главах.

Самое главное, чтобы понятие «нанотехнология» не стало лазейкой, за которой будут прятаться непорядочные ученые, предприниматели, фирмы и чиновники. Хочется привести один современный афоризм: «Если в наши дни вы хотите одновременно ничего не делать и быть респектабельным, притворитесь, что работаете над какой-то серьезной научной проблемой».

Нужно уметь разделять наноинженерию поверхности и нанотехнологию по Дрекслеру, Эглеру или Холлу, а также «нанопургу» по Иванову.

В заключение приведем оптимистический прогноз писателя-фантаста Артура Кларка, предсказания которого сбываются одно за другим: «2040 год: будет усовершенствован “универсальный репликатор”, основанный на нанотехнологиях; может быть создан объект любой сложности при наличии сырья и информационной матрицы. Бриллианты и деликатесная еда могут быть сделаны в буквальном смысле слова из грязи. В результате за ненадобностью исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и недавнее изобретение человеческой цивилизации — работа. После чего последует взрывное развитие искусств, развлечений, образования».

Однако, и об этом нужно заявить достаточно определенно, это уже не будет «человеческая цивилизация» в привычном для нас понятии этого словосочетания (со строго определенным набором интеллектуальных, физических, психологических, нравственных, религиозных, да и вообще каких бы то ни было качеств современного «человека разумного» — Homo sapiens).

Ни в коей мере не являясь противниками научно-технического прогресса, в том числе развития нанотехнологий (и даже наоборот), мы признаем, что предсказанный многими религиями и оракулами прошлого конец человечества (конец света) уже наступил. Сколько продлится этот переходной период — трудно сказать, но то, что он начался, сомнению не подлежит. Чтобы убедиться в этом, стоит внимательно почитать сообщения о достижениях в области генной медицины, клонирования, развития нанотехнологий и т. д. и т. п.

Не исключено, что разумная цивилизация на планете Земля в будущем не исчезнет совсем, а только получит, что более вероятно, новый, значительно более качественный виток развития, но это уже будет другая цивилизация — цивилизация «киборга разумного» (Cyborg sapiens).

Один из самых критических сценариев дальнейшего развития может заключаться в том, что история, подчиняясь своей спиралевидной неизбежности, может напомнить человечеству некоторые этапы его прошлого развития: отношение к аборигенам Африки, Америки, Австралии, работорговлю и кровопролитные войны за обладание территориальными и сырьевыми ресурсами. Только в роли аборигенов может оказаться теперь само человечество, вынужденное бороться за само свое существование.

Оно (человечество) всегда находило оправдание своим поступкам, поэтому определенно найдет оправдание своим действиям и цивилизация киборгов.

В соответствии с более мягким (гуманным) прогнозом, будем надеяться, что человечество все же не будет вытеснено из привычной среды обитания и тем более уничтожено полностью. Возможно, для его представителей будут созданы отдельные зоны проживания, резервации (хомопарки) на нашей планете, на Луне или других планетах Солнечной системы, где оно просуществует еще не одну сотню лет.

Только сможет ли человечество выжить в тех экологических, продовольственных и энергетических условиях, которые создадут для своего комфортного существования наши потомки — киборги.

Список литературы

Книги делаются из книг.

Вольтер, французский писатель, историк, философ-просветитель

1. Альтман Ю. Военные нанотехнологии / Ю. Альтман. — М.: Техносфера, 2006. — 416 с.

2. Балабанов В. И. Нанотехнологии. Наука будущего /

В. И. Балабанов. М.: Эксмо, 2009. — 240 с.

3. Балабанов В. И. Эффект лотоса в автомобильной промышленности / Нанотехнологии, производство, экология, № 1. 2009. — С. 82–86.

4. Бинниг Г. Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения к юности: нобелевские лекции по физике / Г. Бинниг, Г. Рорер // УФН. — 1996. — Т. 154 (1988), вып. 2. — С. 261.

5. Бородин И. Ф. Нанотехнологии в сельском хозяйстве / И. Ф. Бородин // Механизация и электрификация с. х. — 2005. — № 10. — С. 2–5.

6. Гамов Г. А. Теория вылета альфа-частиц из ядра / Г. А. Гамов. — М., 1928.

7. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику / Ю. И. Головин. — М.: Машиностроение, 2007.

8. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение / П. Н. Дьячков. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. — 2006. — 293 с.

9. Жоаким К. Нанонауки. Невидимая революция /К. Жоа-ким, Л. Плевер. М.: Колибри, 2009. — 240 с.

10. Инновационное развитие — основа модернизации экономики России. Национальный доклад / Ред. совет: В. П. Евтушенков, С. В. Кириенко, А. Б. Чубайс. М.: ИМЭМО РАН, ГУ-ВШЭ, 2008. — 168 с.

11. Календин В. В. Нанометрия: проблемы и решения / B. В. Календин // Автометрия. — 2004. — Т. 40. — № 2. — C. 20–36.

12. Карагусов В. И. Нанокриогенные технологии / В. И. Карагусов // Микросистемная техника. — 2004. — № 10. — С. 15–23.

13. Кластеры, структуры и материалы наноразмера: инновационные и технические перспективы / М. А. Меретуков [и др.]. — М.: Руда и металлы, 2005. — 128 с.

14. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси; пер. с япон. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 134 с.

15. Ковальчук М. В. Органические наноматериалы, наноструктуры и нанодиагностика / М. В. Ковальчук // Вестник РАН. — 2003. — Т. 73, № 5. — С. 405–412.

16. Красинькова М. В. О механизме образования фуллеренов и углеродных нанотрубок / М. В. Красинькова, А. П. Паугурт // Письма в ЖТФ. — 2005. — Т. 31, вып. 8. — С. 6–11.

17. Латыпов З. З. Фуллерены и углеродные нанокластеры / З. З. Латыпов, Л. Н. Галль // Науч. приборостроение. — 2005. — Т. 15. — № 2. — С. 82–87.

18. Левина В. В. Наноразмерные материалы и возможности их использования / В. В. Левина // Приборы. — 2005. — № 7(61). — С. 30–35.

19. Лисовенко Д. С. От графита (стержней, пластин, оболочек) к углеродным нанотрубкам. Упругие свойства / Д. С. Лисовенко, В. А. Городцов. — М., 2004. — 67 с.

20. Лозовик Ю. Е. Образование и рост углеродных наноструктур — фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов / Ю. Е. Лозовик, А. М. Попов // УФН. — 1997. — Т. 167. — № 7. — С. 751–774.

21. Лускинович П. Н. Нанотехнологии XXI века: аналит. обзор / П. Н. Лускинович, П. В. Иванов, И. В. Волкова. — М.: ВНТИЦ, 2001. — 20 с.

22. Лучинин В. В. Введение в индустрию наносистем / В. В. Лучинин // Нано— и микросистемная техника. — 2005. — № 5. — С. 2–8.

23. Любченко В. Е. Алмаз — перспективный материал для наноэлектроники / В. Е. Любченко, А. Ю. Митягин, Л. А. Поморцев // Инж. физика. — 2003. — № 5. — С. 51–58.

24. Лякишев Н. П. Наноматериалы конструкционного назначения / Н. П. Лякишев, М. И. Алымов, С. В. Добаткин // Конверсия в машиностроении. — 2002. — № 6(55). — С. 125–130.

25. Малинецкий Г. Г. Нанобиология и синергетика. Проблемы и идеи / Г. Г. Малинецкий, Н. А. Митин, С. А. Науменко. — М., 2005. — 31 с.

26. Мальцев П. П. От редакции [Основные даты развития микро— и наносистемной техники в Российской Федерации] / П. П. Мальцев // Нано— и микросистемная техника. — 2005. — № 1. — С. 2–4.

27. Мальцев П. П. О терминологии в области микро— и наносистемной техники / П. П. Мальцев // Нано— и микросистемная техника. — 2005. — № 9. — С. 2–5.

28. Мелихов И. В. Физико-химическая эволюция твердого вещества / И.В. Мелихов М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. — 2006. — 309 с.

29. Митрофанов О. Нанотехнология — шаг за горизонт / О. Митрофанов // Техника — молодежи. — 2001. — № 12. — С. 10–12.

30. Мы давно вдыхаем углеродные нанотрубки // Природа. — 2005. — № 10 (1082). — С. 83–84.

31. Мюллер Б. Технология, открывающая новую эпоху: нанотехника покоряет микрокосмос / Б. Мюллер // Deutschland. — 1999. — № 3. — С. 49–51.

32. Накагаки М. Физическая химия мембран. М.: Мир, 1991.

33. Нанотехнологии и наноматериалы в агроинженерии: учебное пособие / М. Н. Ерохин, В. И. Балабанов, В. В. Стрельцов и др. — М.: МГАУ, 2008. — 300 с.

34. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год: сб. / Под ред. д-ра техн. наук, проф. П. П. Мальцева. — М.: Техносфера, 2006. — 152 с.

35. Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 368 с.

36. Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике / B. К. Неволин. — М.: Техносфера, 2005.

37. Основы прикладной нанотехнологии / Под общей редакцией проф. В.И. Балабанова. — М.: МагистрПресс, 2007. — 208 с.

38. Поляков С. А. Нанотехника в трибологии / С. А. Поляков, C. П. Хазов // Нанотехника. — 2006. — № 1. — С. 42–51.

39. Пула Ч. Нанотехнологии / Ч. Пула, Ф. Оуэнса; 2-е изд. — М.: Техносфера, 2006. — 260 с.

40. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом / М. Рыбалкина. — М., 2005. — 444 с.

41. Семчиков Ю. Д. Дендримеры — новый класс полимеров / Ю. Д. Семчиков // Соросовский образоват. журн. — 1998. — № 12. — С. 45–51.

42. Сергеев Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. — 228 с.

43. Старостин В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие / В. В. Старостин. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 431 с.

44. Суздалев И. П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И. П. Суздалев. — М.: Комкнига, 2006. — 592 с.

45. Федоренко В. Ф. Нанотехнологии и наноматериалы в агропромышленном комплексе: науч. аналит. обзор / В. Ф. Федоренко. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. — 96 с.

46. Хартманн У. Очарование нанотехнологии / У. Хартманн. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 173 с.

47. Шевченко В. Я. Белая книга по нанотехнологиям. Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в России. По материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологии / Сост. В. И. Аржанцев и др. — М.: Изд-во ЛКИ, 2008. — 327 с.

48. Asimov I. Is Anyone There / I. Asimov. — New York: Ace Books, 1967. — 265 p.

49. Barthlott W. The purity of Sacred Lotus or Escape from Contamination in Biological Surfaces / W. Barthlott, C. Nein-huis. — 1997. — Planta 202: P. 1–8.

50. Berube М. D. Nano-Hype: The Truth behind the Nanotechnology Buzz / M. D. Berube. Amherst, NY: Prometheus Books. — 2006. — 521 p.

51. Binnig G. et al // Phys. Rev. Lett. — 1982. — V. 49. — P. 57.

52. Drexler K. E. Molecular Engineering: an Approach to the Development of General Capabilities for Molecular Manipulation / K. E. Drexler // Proc. Natl. Acad. Soc. USA. — 1981. — № 78. — P. 5275–5278.

53. Drexler K. E. Engines of Creation: the Coming Era of Nanotechnology / K. E. Drexler. — NY: Ancor Press, 1986 — 120 p. // Doubleday. Русский перевод по ссылкам: http://mikeai. nm.ru/russian/eoc/eoc.html — http://www.fictionbook.ru/en/author/dreksler_yerik/mashiniy_sozdaniya

54. Drexler K. E. Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation / K. E. Drexler. — NY: John Wiley and Sons, 1992. — 182 p.

55. Iijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon // Nature. — 1991. — V. 354. — P. 56.

56. Iijima S., Ichihashi T. Nature. — 1993. — V. 363. — P. 603.

57. Feynman R. P. There’s Plenty of Room at the Bottom / R. P. Feynman // Engineering and Science (California Institute of Technology). February, 1960. — Pt. 2. — P. 22–36. (http://nano.xerox.com/nanotech/feynman.html). Русский перевод: Химия и жизнь. — 2002. — № 12. — С. 21–26.

58. Freitas R. A. Mechanical Artificial Red Cell, Artificial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech / A. R. Freitas // Exploratory Design in Medical Nanotechnology. — 1998. — № 26. — P. 411–430.

59. Freitas R. A. Basic Capabilities. Landes Bioscience / A. R. Freitas // Nanomedicine. — 1999. — Vol. 1. — P. 204–220.

60. Howe С. D. Nanotechnology: Slow Revolution / С. D. Howe; Forrester Research Corporation. — Maryland, 2002. — 21 p.

61. Kroto H. W. et al. C60: Buckminsterfullerene / H.W. Kroto, J.R.Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley // Nature. — 1985. — V. 318. — P. 162.

62. Kroto H. W. Science. — 1988. — V. 242. — P. 1139.

63. Kurzweil R. The Age of Intelligent Machines /The MIT Press; Rep edition, 1992.

64. Kurzweil R. Age of Spiritual Mashines / Penguin, 2000.

65. Kurzweil R. The Singularity Is Near / Viking Press, 2005.

66. Merkle R. C. Molecular Building Blocks and Development Strategies for Molecular Nanotechnology / R. C. Merkle // Nanotechnology. — 2000. — № 11 — P. 89–99.

67. Phoenix C. Design of a Primitive Nanofactory / C. Phoenix // Journal of Evolution and Technology. — V. 13 — October, 2003.

68. Taniguchi N. Japan Society of Precision Engineering / N. Tani-guchi // On the Basic Concept of Nanotechnology: Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. — Tokyo, 1974. — Pt II. — P. 122–126.

69. Yakobson B. I., Smalley R. E. Fullerene nanotubes: C1,000,000 and beyond // American Scientist. 1997. V. 85. P. 324–337.

70. Williams L. Nanotechnology Demystified / Williams, W. Adams // The McGraw-Hill Companies. 2007. — 343 p.

Рекомендуемые ссылки

• http://nano.xerox.com/nanotech/feynman.html — статья: Feynman R.P. There’s Plenty of Room at the Bottom;

• http://mikeai.nm.ru/russian/eoc/eoc.html;

• http://www.fictionbook.ru/en/author/dreksler_yerik/mashiniy_sozdaniya/ — статья: Drexler K.E., Engines of Creation;

• http://www.rusnano.com/ — Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО);

• http://www.portalnano.ru/ — федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы»;

• http://www.nanometr.ru/ — электронный ресурс «Нанометр»;

• http://nanodigest.ru/ — электронный ресурс «Нано Дайджест»;

• http://www.nanojournal.ru/ — «Российский электронный наножурнал»;

• http://www.nanonewsnet.ru/ — «Сайт о нанотехнологиях № 1 в России»;

• http://www.nanowere.ru/ — «Официальный сайт потребителей нанотоваров»;

• http://www.ecsocman.edu.ru/foresight/ — Журнал «Форсайт»;

• http://www.mems.isi.edu/ — «Клирингхаус МЕМС»: от новостей до устройства на работу в сфере МЕМС;

• http://www.eurekalert.org/context.php?context=nano&show=links — CONNECTIONS, International Links;

• http://www-tl.mit.edu/semisubway/ — International Links: Semiconductors;

• http://www.tcen.ru/news.shtml — MEMS-news;

• http://www.ntmdt.ru/ — официальный сайт фирмы NT-MDT;

• http://tima.imag.fr/Conferences/dtip — Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS / MOEMS;

• http://www.foresight.org/ — сетевой ресурс основателя нанонауки и технологии К.Э. Дрекслера;

• http://www.nano.gov/ — американский правительственный сайт по нанотехнологии;

• http://e-library.ru/isi_info.asp — база данных научного цитирования (поиск по фамилии автора ссылки на все его публикации в реферируемых журналах);

• http://www.nexus-mems.com/ — Европейская ассоциация в области нанотехнологий;

• http://ep.espacenet.com/ — европейская патентная база данных;

• http://www.vdivde-it.de/mst — европейские новости по МСТ;

• http://www.microsystems.ru/ — журнал «Нано-и микросистемная техника»;

• http://www.physorg.com/ — научные и технические новости;

• http://www.gyro.ru/ — ЗАО «Гирооптика»;

• http://www.technosphera.ru/ — Издательский центр «Техносфера»;

• http://www.novtex.ru/ — издательство «Новые технологии»;

• http://www.immtek.uni-freiburg.de/ — Институт по технологии микросистем;

• http://www.ipmt-hpm.ac.ru/ — Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН;

• http://www.nanonet.go.jp/english/calendar — календарь конференций по нанонауке и технологии;

• http://www.trimmer.net/ — крупнейший источник информации по МСТ;

• http://www.fea.ru/ — лаборатория «Вычислительной механики» Санкт-Петербургского гостехуниверситета;

• http://www.mems.ru/ — лаборатория микротехнологий и микроэлектромеханических систем (МЭМС) Санкт-Петербургского гостехуниверситета;

• http://www.elctronictongue.com/ — лаборатория химических сенсоров Санкт-Петербургского госуниверситета;

• http://www.nees.uni-bonn.de/bionik.htm — материалы по «эффекту лотоса»;

• http://micromachine.narod.ru/dict.htm — кафедра «Интеллектуальные системы». БНТУ. Микроактиваторы. Терминологический англо-русский словарь по МЭМС;

• http://e-library.ru/defaultx.asp — научная библиотека, свободный доступ с компьютеров РАН;

• http://www.mvs.tsure.ru/ — Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем ТГРУ;

• http://www.niifi.sura.ru/ — Научно-исследовательский институт физических измерений;

• http://www.piezo.rsu.ru/services — Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор» Ростовского госуниверситета;

• http://www.ncp-nanotech.ru/ — Национальная контактная точка по нанотехнологиям и нанонаукам (НКТ «Нанотех»);

• http://www.nanotech-now.com/ — новости MEMS, NEMS, Nanoscale Materials, Molecular Manufacturing, Quantum Computing, Nanomedicine, Nanoelectronics, Nanotubes, Self Assembly, and Molecular Biology;

• http://www.nanotechweb.org/ — новости из области нанотехнологий;

• http://www.smalltimes.com/document_display. cfm?document_id=2679 — новости из области нанотехнологий;

• http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/perst — новости нанонауки и нанотехнологии;

• http://www.nanoelectronicsplanet.com/nanochannels/research — новости нанонауки и нанотехнологии;

• http://www.delphion.com/ — патентная база Delphion;

• http://www.materialstoday.com/ — сетевой журнал завтрашних технологий;

• http://www.nanotube.ru/ — учебно-научный центр «Зондовая микроскопия и нанотехнология»;

• http://www.fvt.rsu.ru/fac.htm/ — факультет высоких технологий Ростовского госуниверситета;

• http://kazus.ru/ — электронный портал KAZUS;

• http://www.oxonica.com/ — сайт фирмы «Oxonica»;

• http://www.aga-automag.ru/content/category/10/63/291 — AGA-Автомаг. Консультации специалиста.

Примечания

1

Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. М.: Колибри, 2009.

2

Хульманн А. Экономическое развитие нанотехнологий: обзор индикаторов / Форсайт, 2009. 31– С. 30–47

3

Коммерсантъ, 4 декабря 2008 г.

4

ЖФХ, 1952. Т. 26, № 1. — С. 88–95-

5

Игами М., Оказаки Т. Современное состояние сферы нанотехнологий: анализ патентов / Форсайт. № 3, 2008.

6

Поиск, 23 мая 2008 года.

7

Feynman R. P., The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen-Scientist (Reading, MA: Perseus Books, 1998), p. 25. («Значение всего этого: мысли о Гражданине-ученом»).

8

Gleick J., Genius: The Life and Science of Richard Feynman (New York: Vintage Books, 1992), p. 355. («Гений: жизнь и исследования Ричарда Фейнмана»).

9

Закон Кассье определяет эффективное значение угла контакта 0с с жидкостью в случае неоднородной поверхности.

10

Thess A., Lee R., Nikolaev P., Dai H., Petit P., Robert J., Xu C., Lee C.H., Kim S.G., Rinzler A.G., Colbert D.T., Scuseria G., Tomanek D., Fischer J.E., Smalley R.E. Crystalline Ropes of Metallic Carbon Nanotubes // Science. 1996. V. 273, p. 483–487.

11

Bostrom N. How Long Before Superintelligence? Int. Jour. of Future Studies, 1998, vol. 2.

12

Kurzweil R., The Age of Intelligent Machines, The MIT Press, 1992.

13

Kurzweil R., The Age of Spiritual Machines: When Computers Exceed Human Intelligence, Penguin, 1998.

14

Молекулярная нанотехнология и миропорядок, http://www.mccarthy.cx/WorldSystem/intro.htm

15

The Elements of International Strategy, Halle, Louis J., University Press of America, Inc., 1984, p. 78.

16

Freitas R. A. Jr ., Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations. Zyvex preprint, April 2000.

17

Kurzweil R. The Singularity Is Near, Viking Press, 2005.

18

Чижевский А. Л. Космический пульс жизни: Земля в объятиях Солнца. Гелиотараксия. М.: Мысль, 1995.

Content

Виктор Балабанов, Иван Балабанов
Нанотехнологии: правда и вымысел

Введение

Глоссарий

А

Б

В

Г

Д

З

И

К

Л

М

Н

П

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ш

Э

В начале пути

Индустриализация нанотехнологий

Становление и развитие нанонауки в России

Природные нанообъекты и наноэффекты

Искусственные наноструктуры

Создание искусственных наноматериалов

Методы исследования наноструктур

Основные свойства наноструктур

Прикладная нанотехнология

Инкрементные нанотехнологии

Эволюционная нанотехнология

Радикальные нанотехнологии

Нанотехнологии и энергоэффективность

Генерация (получение) энергии

Распределение и хранение энергии

Сбережение энергии

Наноразмерная электроника

Наноструктурированные композиционные материалы

Наноинженерия поверхности и изделий

Некоторые аспекты нанотрибологии

Нанотехнологическая автохимия

Реметаллизанты

Геомодификаторы

Кондиционеры (рекондиционеры)

Топливные нанопрепараты

Лакокрасочные покрытия и полироли

Мифы военных нанотехнологий

Нанотехнологии, косметология и медицина

Нанотехнологии, экология и сельское хозяйство

Перспективы развития нанонауки

Список литературы

Рекомендуемые ссылки

Примечания