Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел
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».
