Нанотехнология

Когда мы слышим слово «нанотехнологии», в голове сразу всплывают образы фантастических городов, суперсовременной медицинской техники, способной за несколько секунд справиться с любым заболевание, и прочих атрибутов высокоразвитых цивилизаций будущего, которые так любят показывать в фильмах. Как это в действительности соотносится с суровой научной реальностью и что уже сейчас активно используется в настоящем, будет рассказано ниже.

На самом деле термин «нанотехнология» не имеет единого и общепринятого определения. Чаще всего так называют процессы атомной и молекулярной сборки, в результате которых получаются наноразмерные объекты, обладающие уникальными свойствами. Например, для нас привычно, что медь или золото – обычные металлы, но нанообъекты на их основе – наночастицы или тонкие пленки – могут оказаться полупроводниками с «регулируемой» шириной запрещенной зоны.

Впервые о возможности контролируемого создания структур из отдельных атомов и молекул упомянул еще в 1959 г. Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике. Он предложил создавать роботов, способных производить бесконечное количество своих уменьшенных копий из имеющихся в наличие атомов. За год до этого советский писатель-фантаст Анатолий Днепров опубликовал рассказ «Крабы идут по острову», в котором изложил похожую идею и последствия её воплощения в жизнь. Сегодня отголоски таких апокалиптических сценариев, объединенных общим названием «серая слизь» или “greygoo”, можно встретить в голливудских блокбастерах: полчища нанороботов поглощают всю Землю, как в фильме «Когда Земля остановилась».

В реальности возможность манипулирования отдельными атомами появилась относительно недавно, с изобретением различных методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Условно началом этой эпохи принято считать 1981 г., когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп. С помощью СЗМ методик можно «увидеть» отдельные атомы, и даже выборочно воздействовать на них, перемещать и собирать из них различные более крупные структуры. Такой подход к созданию нанообъектов из отдельных атомов и молекул называется подходом «снизу-вверх». Для его реализации необходимы особые условия, которые крайне непросто создать. Нужен и сверхвысокий вакуум, и низкие (до десятков кельвин) температуры, и очень тщательно очищенная, атомно-гладкая подложка, на которой будут создаваться необходимые структуры. Конечно, работа над преодолением этих ограничений ведется, однако в промышленных масштабах создание каких-либо структур из отдельных атомов пока не реализовано. Так что, уничтожение нанороботами нашей планете пока не грозит.

К созданию наноструктур можно подойти и с другой стороны: из изначально крупных объектов производить всё более мелкие. Такой подход называют подходом «сверху-вниз». Он может включать в себя механическое измельчение материалов, их термическое разложение, осаждение растворенных веществ из растворов и многое другое.Кстати, на текущий момент большая часть самых популярных и известных наноструктур была получена именно таким образом. Ниже описана лишь малая часть из них.

• Графен – двумерная наноструктура. Первый из известных двумерных кристаллов. Это тончайший слой кристаллического графита – двумерная сетка с шестиугольными ячейками, в вершинах которых сидят атомы углерода. Поскольку связь между отдельными слоями графита очень слабая, изначально графен создавали за счёт многократного механического расщепления графита с помощью обычного скотча. Сейчас также используют различные химические методики и осаждение из газовой фазы. Предполагается, что графен можно использовать как основу новой графеновой наноэлектронники, например, для создания полевых транзисторов, быстродействие которых будет значительно выше, благодаря высокой подвижности носителей заряда в графене.

• Углеродные нанотрубки – одномерная наноструктура, фактически представляет собой свернутый в трубочку кусок графенового листа. Интересно то, что в зависимости от того как именно этот кусок листа вырезан и свернут, полученная из него нанотрубка будет обладать металлическими или полупроводниковыми свойствами. Впервые нанотрубки были получены с помощью электродугового испарения графита. Сейчас их получают с помощью пиролиза углеводородов в присутствии катализаторов – наночастиц металлов. Углеродные нанотрубки уже используются в промышленности, например, для увеличения срока службы аккумуляторов. Нанотрубки можно делать не только из атомов углерода. Например, атомы бора и азота, собранные в определённом порядке и пропорции, тоже могут образовывать трубки. Таким же свойством обладают наборы из атомов кремния и углерода, и даже из атомов некоторых металлов и кислорода. Потенциал использования нанотрубок очень велик и пока не до конца раскрыт. В качестве наиболее фантастического примера можно привести космический лифт, связывающий поверхность Земли со спутником, выведенным на геостационарную орбиту. Тросы такого лифта предполагается сделать именно из нанотрубок, прочность которых превышает в десятки раз прочность традиционных металлических сплавов.

• Фуллерены тоже представляют собой наноструктурированную форму углерода в виде полых многогранников, образованных правильными пяти- и шестиугольниками. Впервые фуллерены С60 и С70 были выделены из сажи, полученной при лазерном испарении углерода. Как оказалось, фуллерены достаточно распространены в природе, их обнаружили на Земле в различных породах и даже в космосе. В промышленности в настоящее время фуллерены изготавливают путем сжигания углеводородов, однако наибольшая сложность их синтеза заключается в очистке и выделении самих фуллеренов из полученного продукта. Тем не менее, фуллерены уже применяют в качестве добавок в огнезащитные краски и полимеры. Кроме того, некоторые производные фуллеренов продемонстрировали активность в лечении ВИЧ – они блокируют активный центр белка ВИЧ-1-протеазы, ответственного за проникновение вируса в кровяные клетки.

Подводя итог всему изложенному, нанотехнология определяется двумя ключевыми пунктами:

1. Нанообъект – объект, характерный размер которого хоты бы в одном измерении не превышает 100 нм.

2. Размерный эффект - эффект, за счет которого наноструктурированный материал приобретает принципиально новые свойства.