4.3. Развитие нанотехнологий

Нанотехнология является системообразующим фактором экономики 21 века – экономики, основанной на знаниях, а не только на использовании природных ресурсов или их переработке.

Нанотехнология – это искусство использования в соответствующих целях структур веществ размером от одного до ста нанометров, обладающих полезными функциями. Один нанометр равен миллионной части одного миллиметра, для сравнения: атомы всего лишь в десять раз меньше одного нанометра.

Размерный фактор формирования свойств наноматериалов проявляется в изменении оптических, каталитических, механических, магнитных, термических и электрических свойств. Как правило, размерные эффекты действуют, когда размер зерен (частиц) не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда размер зерен становится менее 10 нм. Объекты нанометровых размеров: наночастицы или нанокластеры, двумерные тонкие пленки кристаллы для оптики, углеродные материалы (трубки, нановолокна, фуллерены). Наночастицы – это, по номенклатуре ИЮПАК (IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии), размеры которых не превышают 100 нм и состоят из 106 или меньшего количества атомов. Наночастицу принято рассматривать как агрегат, являющийся частью объемного материала.

Технология наночастиц ограничивается использованием искусственно полученных наночастиц. В сфере экономики им придается на данный момент чрезвычайно большое значение.

Как правило, наночастицы обладают другими свойствами, чем тот же материал в более крупном масштабе. Наночастицы уже по геометрическим законам обладают большей реакционной способностью, так как доля поверхностных атомов растет по мере уменьшения размера частицы. Поверхностные атомы склонны к образованию соединений.

Новые подходы к проблеме получения материалов с заданными свойствами привлекают все большее внимание специалистов в медицине, фармакологии, энергетике, электронике, химической и нефтехимической промышленности, материаловедении, оптике, экологии, при создании новых видов топлива, новых методов химической и биологической защиты и др.

По прогнозам на ближайшие 10-15 лет, нанотехнологическая продукция будет занимать ведущее место.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам  относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются свойствами содержащихся в них нанообъектов. Сущность нанотехнологии состоит в способности работать на атомном, молекулярном и супрамолекулярном уровне и создавать материалы с новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малым размерам элементов их структуры. Таким образом, наноматериалы – это контролируемое упорядочение нанообъектов. Изучая нанообъекты, исследователи накапливают знания и опыт для целенаправленного усовершенствованием свойств материалов и производства новых материалов с заданными свойствами.

Развитие нанонауки и нанотехнологии  придает импульс в развитии других дисциплин: медицины, биотехнологии, химии, защиты окружающей среды, материаловедении (металлы, полимеры, керамика). Появилась возможность, манипулируя атомами, управлять свойствами материалов, придавая им специфические свойства.

Кроме фундаментальных исследований существует множество прикладных направлений: композиты на основе полимеров, керамика, углеродные нанотрубки, кремниевые нановолокна для электроники, лекарственные препараты с запрограммированным целенаправленным действием, наночастицы для улавливания следовых количеств примесей в воде и многие др.

Охват различных сторон нашей жизни, множество отраслей экономики, развивающихся благодаря открытиям нанонауки и достижениям нанотехнологий, уже сегодня впечатляет. Нанотехнологические разработки используют для получения нелиняющих красителей, прозрачных солнцезащитных покрытий на основе оксида цинка, устойчивых к царапинам автомобильных красок, полупроводников повышенной мощности, при создании «чистых» источников энергии, недорогих высокоактивных катализаторов, топливных элементов, в процессах газификации угля, в производстве материалов для протезирования (имплантанты на основе нанокристаллического гидроксиапатита - аналога костной ткани) и др.

Весь круг проблем делится специалистами на три категории по тем срокам, которые необходимы для получения ощутимых результатов.

Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием металлов на порядок меньше, чем в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы.

Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды.

Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.

Энергетика и оптика. В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов.  Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. В 2003 г. ученым удалость создать устройство, в котором оптический сигнал делился на 16 равноценных сигналов. В 2006 г. с помощью системы зеркал с размерами, близкими к нанометровым, удалость расщепить сигнал на несколько тысяч равноценных сигналов. Фотонные кристаллы, называемые световыми ловушками, способны осуществлять контроль световых потоков, выделять световые потоки по длине волны благодаря своей трехмерной структуре. Эти структуры представляют сегодня большой интерес. Используемая в настоящее время электрическая лампочка отдает в виде света только 3 - 4% энергии, подведенной к ней, остальная часть почти полностью теряется в виде тепловой энергии в окружающей среде. Используя оптические микросхемы на основе периодических структур, удалось добиться 28%-ной отдачи энергии в виде света. В настоящее время это – мировой рекорд. На ближайшие 20 лет запланировано доведение отдачи энергии в виде света до 70%  с помощью разрабатываемых ныне диодов световой эмиссии, которые должны потеснить привычные для нас лампочки накаливания. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект.

Медицина. Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, где происходит пролонгированное выделение препарата. Так, французские ученые уже несколько лет ведут работы по созданию нанокапсул, размер которых в 70 раз меньших, чем красные кровяные тельца. С током крови эти нанокапсулы способны переносить лекарственные препараты для борьбы, например, с тромбоэмболией. При использовании специфичных для данного типа частиц лигандов наночастицы будут способны атаковать непосредственно мишень, которой являются патогенная клетка или их скопление. Так, с нанесенным на поверхность протеином плазмы нанообъект может быть специфически «узнаваем» макрофагами печени или селезенки. Разрабатываемый метод «лаборатория в чипе» может быть использован для контроля за состоянием больных диабетом.

Охрана окружающей среды. Для очистки газовых выбросов разрабатываются фильтрующие мембраны из наноструктурированных материалов на основе оксида-гидроксида алюминия или оксида железа. Пористость таких мембран регулируется размером составляющих ее наночастиц с размером 10-500 нм. При прохождении воздуха через такую мембрану происходит каталитическое окисление органических примесей, обезвреживание бактерий, вирусов и пестицидов. Использование благородных металлов и РЗЭ в виде наноструктурных покрытий монолитных блоков может обеспечить высокую степень очистки выхлопных газов от монооксида углерода и оксидов азота, углеводородов и альдегидов, которой требуют Евро-стандарты (Евро-3 и -4). В данном случае know how заключается в способе получения высокодисперсных (5-7 нм) частиц дорогих металлов, чтобы не слишком повышать себестоимость нейтрализаторов и, в целом, автомобилей.

Электроника. Широкое использование наноматериалов может изменить лицо электроники. По мнению директора института фундаментальной электроники J.-M. Lourtioz (Франция), это потребует полного переосмысления архитектуры микросхем. Идея заключается в том, чтобы воспроизвести трехмерную схему по образцу мозга, в котором каждая клетка связана с несколькими тысячами таких же соседей. Это приведет к значительному выигрышу в скорости и появлению новых функций. Схема должна быть способна к самоорганизации, установлению внутренних связей и изменению конфигурации в соответствии с поставленной задачей. Решение одновременно и проблемы миниатюризации транзистора исследователи видят в создании блока памяти процессора с использованием нанокристалла, в котором каждый бит информации (0 или 1) обеспечен одним электроном. Специалисты связывают будущее электроники с гибридными системами, сочетающими в себе различные технологии, начало эры гибридной наноэлектроники относят к 2000 г. Эти «гибриды» должны помочь в решении нескольких проблем, связанных с усовершенствованием запоминающих элементов. Для решения проблемы энергосбережения решили использовать не только заряды электронов, но и их спины. Пионером в новой области электроники, получившей название спинтроники, является Albert Fert, удостоенный в 2003 г. Золотой медали Национального Центра Научных Исследований Франции. Основные преставления в спинтронике базируются на том положении, что электрон, обладая спином, является крошечным магнитом. Использование свойств спина электрона позволило создать такие наноэлементы для записывающего устройства, в которых ориентация намагниченности может сохраняться много дольше, чем электрический заряд в обычных блоках памяти. Это создает преимущества новых устройств при записи информации на жесткие диски и позволяет ускорить разработку новых блоков скоростной магнитной записи в память. Подобные блоки уже испытывают в космических исследованиях и рассматривают как весьма перспективные для использования в недалеком будущем в компьютерах. Работы по сочетанию магнитного и электрического способов записи были начаты еще в 1988 г., когда появилось понятие «спиновый клапан». Благодаря этому клапану, используемому в считывающей головке драйвера жесткого диска, в ближайшие несколько лет планируется увеличить плотность записи с 0.15 до 80 Гб/см2. Новый материал носителей информации нелетуч и устойчив к радиации, что очень важно для использования в аэронавтике и космонавтике. Спинтроника может обеспечить прорыв в исследованиях возможности магнитной записи информации без использования внешнего магнитного поля, но только благодаря процессу переноса спинового момента. Когда ток проходит через наноустройство, спин электронов реагирует непосредственно со спином электронов материала магнитного слоя, ориентируя их в определенном направлении, подобно «эффекту домино». При этом спин одного электрона ориентирует спин другого, и так – один за другим.

Синтез и изучение одномолекулярных наномашин (менее 1 нм), способных к расчету, механическому и коммуникативному действиям - одно из новых направлений в нанонауке. Цель – создать машину, состоящую из наименьшего числа атомов: молекулярная «тачка» ловит атом, присоединяет его к себе и «переносит» в нужном направлении. Сложность заключается в необходимости тщательного контроля условий химического синтеза таких машин, но полученные результаты закладывают основы для создания в будущем нанороботов с большим набором функций.

Композиты. Молекулярный дизайн полимеров, синтез дендримеров и сложных блок-сополимеров – это те направления в деятельности создателей новых композитных материалов, которые можно считать в настоящее время основными. Большое внимание также привлекают материалы, получаемые включением металлических наночастиц в полимерную матрицу. Так, английскими учеными показано,  что включение кобальт-железных металлических наночастиц (5 об. %) в блоксополимер приводит к так называемому наноэффекту, который проявляется в повышенной устойчивости материала к нагрузкам. Нанокомпозиты, содержащие даже 2 об. % минеральных наночастиц, обладают физическими характеристиками, на 10 - 125% превышающими ненаполненные аналоги, а температура деструкции при этом повышается с 65 до 150 °С. Большая часть композитов, содержащих неорганические наночастицы, пользуются повышенным коммерческим спросом. По прогнозам, к 2010 г. потребность в таких композитах возрастет до 600,000 т, а сфера их применения охватит такие важные отрасли промышленности, как производство средств связи, антикоррозионных покрытий (1 - 5 нм), УФ-защитных гелей, устойчивых красителей, новых огнезащитных материалов, сверхпрочных материалов, высококачественных волокон и пленок, ультрадисперсных (£0.1 мм) порошков тяжелых металлов (вольфрама, кобальта и др.). Поэтому аналитики Великобритании связывают экономический рост своей страны в ближайшие 20 лет с переходом многих отраслей на производство и использование наноструктурированных материалов и нанокомпозитов.

Химическое производство и нефтехимия. Особое место среди многочисленных возможностей наноматериалов занимает их использование в тонком химическом синтезе и нефтехимическом производстве как в виде реагентов, так и в качестве катализаторов. Для катализа нанообъекты представляют особый интерес, так как наноструктурированные катализаторы обладают повышенной активностью, способны работать и при пониженных температурах, и при повышенных объемных скоростях. Особый интерес вызывают высокопористые катализаторы с размером пор до 50 нм (на микрофотографиях представлены ультрадисперсные порошки мезопористых материалов на основе SiO2 c размерами пор 2 – 14 нм). Мезопору (2 - 50 нм) рассматривают как нанореактор, размеры которого часто соизмеримы с размерами молекул. Установлено, что в таких порах химические реакции нередко протекают по нетривиальным маршрутам. Поэтому особый интерес представляют исследования структуры, свойств поверхности, природы активных центров, изучение на молекулярном и нано-уровне процессов превращения веществ и их подвижности внутри мезопор катализаторов. Понимание этих процессов позволит заложить основы конструирования катализаторов нового поколения на нано-уровне и создания новых методов синтеза, в ходе которых можно было бы контролировать размерность формируемых объектов.

Углеродные нанотрубки. Из всего множества нанообъектов наиболее известными и изученными являются углеродные нанотрубки, открытые в 1991 г. Диаметр трубок составляет обычно от 1 до 100 нм, длина – около 1 мкм. Они обладают интересными оптическими, химическими и механическими свойствами (высокая устойчивость к разрыву и деформации), могут быть прекрасными полупроводниками. Их применение охватывает производство полимерных композитов и топливных батарей, электронику и др. Свойства углеродных нанотрубок зависят от количества слоев графита и от способа их скручивания.

Наиболее активно нанотехнологические работы проводятся там, где они поддерживаются государством: в Японии, ЕС, США, Израиле, Китае, Южной Корее, Сингапуре. Среди наиболее активных компаний – IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi USA, Corning, DOW. Ключевая роль в развитии нанотехнологий, как правило, отводится академической науке (национальные исследовательские центры). Велика также доля венчурных проектов, финансируемых из государственного бюджета. Частный сектор, как правило, инвестирует только те проекты, продолжительность которых не превышает 3 лет. Выделяются шесть основных областей, в которых нанотехнологические исследования получают финансовую поддержку государства: производство материалов (1), электроника и оптика (2), энергетика и защита окружающей среды (3), биотехнологии и медицина (4) производство инструментов и машиностроение (5), образование (6).