Наноматериалы и нанотехнологии

В результате освоения материалов данного раздела студенты должны:

знать

• • основные понятия нанотехнологий, перспективы развития нанонауки и нанотехнологий;
• • технологии получения наночастиц;

уметь

• использовать наноматериалы и нанотехнологии в производстве современных и перспективных изделий;

владеть

• • навыками анализа результатов исследований в области нанотехнологий;
• • методами исследования наноматериалов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

История нанотехнологий. Основные понятия

Развитие этого нового направления в науке и технике уже стало во многих странах, в том числе и в России, приоритетной задачей. Для решения сложнейших проблем практической реализации открывающихся возможностей на основе нанотехнологий государства и бизнес выделяют огромные средства, создают специальные программы, проекты и научные координирующие центры, но нанотехнологиям. В мире существенно возросло число научных публикаций по данному направлению. Сведения по наноматериалам и нанотехнологиям включены в учебные программы технических университетов, некоторые из них начали подготовку специалистов по новому интенсивно развивающемуся научному направлению, на базе которого уже в настоящее время получены удиви тельные результаты практически во всех сферах человеческой деятельности, а будущее обещает еще более разительные достижения, сравнимые с самыми фантастическими замыслами.

Очевидно, что обширная область науки и техники в XXI в. будет связана с понятием «нанотехнологии». Если слово «техно» в переводе с греческого (teche) означает искусство, мастерство, ремесло, а «логия» (logos) — наука, то слово «нано» также греческого происхождения (nanos) и означает карлик. Уже сейчас в ходу такие термины, как «нанофизика», «нанохимия», «нанопористые», «нанокристалл ические», «нанокомпозитные материалы» и др.

Действительно, нано означает всего одну миллиардную (10 ⁹) долю метра — нанометр (нм). Представить эту величину можно только умозрительно. Например, 1 нм — это порядок размера атома, молекулы; нить такого размера в несколько десятков тысяч раз тоньше волоса человека.

Нанотехнология, таким образом, может быть определена как совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.

В то же время следует отметить, что терминология в области наноматериалов в определенной степени только складывается, устанавливается. Так, существует подход к определению наночастиц по их геометрическим параметрам. В частности, к наноструктурным относят частицы с размером 1 — 100 нм. Предел в 100 нм выбран исходя из того, что начиная с этого размера и ниже заметно проявляются особые физико-механические и химические свойства материала, в том числе прочность, твердость и т. д.

Существуют и другие подходы, учитывающие роль многочисленных поверхностей раздела, при этом принимается во внимание их объемная доля в общем количестве материала. Некоторые исследователи опираются в классификации наноматериалов на особые физические явления, проявляющиеся при определенном размере частиц. Однако наиболее распространенным, а значит принятым, является такое определение: наноматериалы — это материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

В литературе встречаются и другие термины: «ультрадиспсрсные материалы», «ультрадисперсные системы», «наноструктурные материалы», «нанокристаллические материалы».

Существующие наноматериалы можно условно разделить на несколько групп:

• а) материалы (твердые тела) с размерами хотя бы по одной координате меньше 100 нм;
• б) материалы в виде микроизделий размером от 1 мкм до 1 мм;
• в) объемные наноматериалы с размерами в несколько миллиметров. Однако они состоят из наноразмерных элементов с размером зерна 1 — 100 нм;
• г) композитные наноструктурированные материалы. В таких композитах модификаторами являются различного вида наночастицы.

История развития нанотехнологии может быть прослежена с глубокой древности. Действительно, само предположение, что все вещества состоят из мельчайшей частицы, называемой атомом, уже было необходимым шагом в последующей реализации идей нанотехнологии. И сделал это, введя понятие «атом», греческий философ Демокрит 2400 лет назад. Американский физик Ричард Фейнман (1959) обосновал идею создания вещественных объектов непосредственно из атомов, манипулируя ими. В 1974 г. японский физик Порио Тонигучи ввел в научный оборот понятие «нанотехника».

В России теоретические исследования в области нанотехнологий практически соответствовали международному уровню. Определенное отставание было в разработке отечественного прецизионного оборудования для исследований в данной области. Прогресс в ускоренном развитии нанотехнологий как раз и был связан с созданием уникальной техники, позволяющей изучать микромир с неведомыми до этого возможностями. Существовавшие даже самые мощные электронные микроскопы позволяли различать атомные решетки, но необходимо было увидеть атомы — только тогда можно было заниматься нанонаукой.

В 1981 г. Г. Бининг и Г. Рорср на основе так называемого туннельного эффекта построили сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и с его помощью получили изображение поверхности золота, кремния с атомным разрешением. СТМ снабжен тончайшей токопроводящей иглой-зондом. Зонд перемещается на расстоянии примерно 0,5 нм над изучаемой поверхностью. На зонд подается постоянное небольшое напряжение, благодаря чему возникает туннельный ток. Далее небольшое изменение расстояния между зондом и поверхностью исследуемого металла приводит к значительному изменению величины тока, что и характеризует чувствительность СТМ. Следящая система сканирует поверхность так, что зонд непрерывно отслеживает ее рельеф. Точность перемещений при сканировании достигает тысячных долей нанометра. Такая точность достигается применением специального механического манипулятора, изготовленного из пьезокерамического материала.

Сканирующий туннельный микроскоп оказался очень нужным и тонким инструментом для исследования наноразмерных объектов. За его изобретение в 1985 г. ученые были удостоены Нобелевской премии. Однако его можно было применять для исследования материалов, проводящих электрический ток, что являлось довольно серьезным ограничением для исследователей.

В 1986 г. в лаборатории IBM (отделение в Цюрихе, Швейцария) был создан микроскоп следующего поколения — атомно-силовой (ACM). Он основан на использовании межатомных связей. При движении зонда (алмазной иглы) над поверхностью исследуемого объекта возникает сила взаимодействия между зондом и поверхностью.

При приближении тончайшей иглы к атому сначала возрастают силы притяжения, а при дальнейшем сближении — даже отталкивания. Чуткие датчики передают этот эффект компьютеру, в котором сигнал преобразуется в видимое изображение. Такой микроскоп в отличие от ACM является универсальным средством изучения материалов; он нашел более широкое применение.