8.3. Перспективы развития нанотехнологии

В последние годы в связи с развитием и усовершенствованием методов получения и изучения наноструктурных материалов отмечается быстрое развитие нанонауки и нанотехнологии. Инструментальная революция последних лет позволяет изучать наносостояние «с открытыми глазами», что сделало возможным изучить многие свойства наноструктур и совершить следующий шаг – переход к нанотехнологиям. Основными средствами экспериментального изучения структурных, электронных и других особенностей наноматериалов является сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия, дополненные другими современными методами исследований: рентгеновской микроскопией, электронной микроскопией высокого разрешения, оже-спектроскопией, фемтосекундной спектроскопией, использующей субпикосекундные рентгеновские импульсы и др. С помощью сканирующих зондовых устройств исследователи не только могут получить изображение отдельных атомов и молекул, но и перемещать их, размещая в определенном порядке. Пока что это весьма сложная и трудноосуществимая операция, однако в перспективе уже можно представить создание с помощью этой технологии новых материалов и наноустройств, собираемых нанороботами атом за атомом. Представление об использовании достижений нанотехнологии и перспективах ее развития можно получить из более детального рассмотрения некоторых важных направлений исследований.

Наночастицы. Частицы нанометрического размера (диаметром менее 100 нм) использовались еще в глубокой древности, хотя и без научного обоснования. Например, прославленная окраска древнеримских стеклянных ваз объясняется присутствием в стекле нанокластеров (небольших групп атомов) золота. Примером использования наночастиц в настоящее время является применение угольной сажи при изготовлении автомобильных покрышек для повышения их прочности и износоустойчивости. Интерес к наночастицам связан с тем, что при уменьшении размеров частиц вещества существенным образом изменяются физико-химические свойства (механические, магнитные, оптические и др.) практически всех материалов. Основные технологические проблемы при производстве нанопорошков заключаются в необходимости получения одинаковых по размеру частиц и предотвращения слипания (агломерации) частиц. К настоящему времени уже широко налажено производство основных типов нанопорошков (оксиды алюминия, кремния, титана) на основе пиролиза. В технологии пиролиза вещество нагревается, например инфракрасным лазером, происходит его разделение на составляющие. Необходимый нанопорошок получается при последующем охлаждении потока. Например, при пиролизе получаются наночастицы , при пиролизе - . Широко используется изготовление нанопорошков методами плазмохимии, обеспечивающими высокую производительность и существенное снижение агломерации продукции. Применение плазмохимического синтеза позволяет получать нанодисперсные оксиды особой чистоты. Исходные реагенты могут поступать в реактор в виде порошка или в жидком виде. При температуре плазмы порядка происходит разложение реагентов на отдельные атомы и радикалы. Наночастицы формируются при охлаждении потока на выходе из плазмы.

Наночастицы находят широкое применение в современных технологиях. Приведем несколько примеров их использования.

Наночастицы двуокиси титана, внедренные в вещество солнечных батарей, благодаря своей очень большой суммарной поверхности поглощают свет в тысячи раз сильнее обычных кристаллов того же состава, что существенным образом увеличивает КПД солнечных батарей.

В микроэлектронике весьма сложной операцией является получение пленок с почти атомарной точностью (химико-механическая планаризация). Предложен метод, при котором на поверхность кристалла наносится суспензия наночастиц, которые затем используются в комбинированном процессе химического удаления и механического трения, в результате поверхность полируется с атомарной точностью.

С уменьшением размеров частиц существенно меняются их каталитические свойства. Осажденные на поверхность золота нанокластеры диоксида церия в очень низких концентрациях (около 0,5 атомных процентов) становятся исключительно активными катализаторами реакции превращения моноксида углерода и воды в двуокись углерода и водород (основная реакция в топливных элементах на углеводородном топливе). Применение наночастиц в этом процессе исключительно выгодно с экономической точки зрения, так как в этом случае используется очень небольшое количество золота, а в используемых ранее катализаторах его содержание составляло 10 ат.%.

Наночастицы находят все более широкое применение в быту. Еще несколько лет назад крем от загара представлял собой непрозрачную молочно-белую мазь, цвет которой определялся наличием в ней микронных частиц окиси цинка, поглощающих ультрафиолетовые лучи. Использование нанометрических частиц той же окиси цинка в этих кремах превратило его в прозрачный, более удобный и привлекательный для потребителей продукт.

В последнее время общественность стала проявлять интерес не только к положительным моментам применения наночастиц и нанотехнологий, но и к потенциальным рискам, связанным с их широким использованием. Некоторые исследователи обратили внимание на корреляцию между промышленным использованием наночастиц, уровнем загрязнения атмосферы и состоянием здоровья населения. Проблема состоит в том, что вещества, безопасные в привычной форме изготовления, становятся токсичными при их измельчении до наноразмеров и существующие нормы безопасности в случае использования наночастиц могут оказаться недостоверными.

Фуллерены и углеродные нанотрубки. Фуллерены представляют собой шароподобные каркасные структуры, состоящие из более чем 40 атомов углерода. Наиболее устойчивая структура фуллерена состоит из 60 атомов, расположенных в виде шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода (такая шаровая структура походит на футбольный мяч). Была открыта в 1985 г. Крото с сотрудниками. Углеродные нанотрубки открыты в 1991 г. Сумио Иидзима. Представляют собой однослойные или многослойные цилиндры, стенки которых созданы в виде сетки из шестиугольников и заканчиваются округлыми вершинами из пятиугольников. В вершинах этих многоугольников расположены атомы углерода. Многослойные цилиндры вложены друг в друга в виде матрешки. Внутренний диаметр углеродных нанотрубок может изменяться от 0,4 до нескольких нанометров. Для получения углеродных нанотрубок используется дуговой разряд, лазерная абляция (испарение) и осаждение из газовой фазы. Во всех этих методах при высоких температурах создаются свободные атомы углерода, которые в дальнейшем сами образуют регулярные структуры на поверхности металлических частиц, стабилизирующих формирование фуллеренов, а затем и длинных цепочек из упорядоченных атомов углерода.

Углеродные нанотрубки обладают необычными физическими свойствами. Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок в 50–100 раз превышает соответствующий показатель для стали, одновременно они обладают очень высокой способностью к восстановлению формы после упругой деформации. Таким образом, эта молекулярная структура значительно превосходит сталь по прочности на разрыв, в то же время она гибкая, как резина. Электропроводность однослойных углеродных нанотрубок в сто раз, а теплопроводность в десятки раз выше, чем меди. Углеродные нанотрубки могут иметь разную геометрическую структуру: сетка из шестиугольников может располагаться параллельно оси трубки (ахиральная структура) или же может быть закрученной относительно оси, как если бы трубка подверглась деформации кручения (хиральная структура). Как оказалось, ахиральные углеродные нанотрубки обладают свойствами металла, а хиральные – полупроводника. Углеродные нанотрубки представляют легкий (плотность вдвое меньше, чем алюминия) и термостойкий материал (температура плавления в вакууме достигает 2700 ).

Перечисленные уникальные свойства углеродных нанотрубок предполагают огромное количество практических приложений для самых разных целей в полупроводниковой технике, естествознании, технологии, для изготовления инструментов и т.д. Рассмотрим некоторые возможные сферы приложения углеродных нанотрубок.

Нанотрубки можно использовать в качестве наноразмерных армирующих волокон в бетоне или полимерах, где их высокие прочностные характеристики улучшат прочность всего материала. Использование в качестве наполнителей токопроводящих углеродных нанотрубок в конструкционных материалах (бетон, пластмассы) позволит создать непрерывно действующую телеметрическую систему контроля качества и целостности конструкции. Высокие прочностные характеристики и их легкость позволяют использовать нанотрубки для изготовления материалов для пуленепробиваемых жилетов, бамперов автомобилей, для строительства сейсмоустойчивых зданий и сооружений, для сверхпрочных покрытий обрабатывающих инструментов.

Так как углеродные нанотрубки обладают высокой химической стойкостью и развитой поверхностью, возможно их применение в качестве подложки для катализаторов.

Углеродные нанотрубки перспективны для создания нового поколения интегральных схем, их применение позволит существенно увеличить емкость аккумуляторов, рассматривается возможность их использования для аккумулирования водорода, создания сверхъемких конденсаторов, в качестве материалов для изготовления зондов различных микроскопов и многих других целей.

Фуллерены перспективны для использования в самых разнообразных отраслях промышленности. Исследователи научились к поверхности присоединять отдельные атомы металла и регулировать с высокой точностью число атомов в металлическом покрытии. Полученные таким образом материалы могут в дальнейшем обеспечить прорыв в каталитической промышленности.

Тонкие пленки. В настоящее время проводятся широкомасштабные исследования молекулярно-ситовых мембран на основе микропористых тонких пленок. Например, изучение платиновых пленок толщиной 300 нм показало наличие областей с упорядоченными цилиндрическими отверстиями диаметром 2,5 нм, причем диаметр отверстий можно целенаправленно изменять, варьируя условия синтеза. Подобные устройства могут иметь важное практическое применение в устройствах для преобразования энергии, в батареях, топливных элементах, для целей катализа. Огромное практическое значение имеют исследования по получению тонкопленочных покрытий с коррозионной, термической и химической стойкостью (защита трубопроводов, реакторов и другого оборудования).

Разнообразное использование для самых различных целей представляют такие наноматериалы, как нанопроволоки, нанодисперсии, нанокристаллические материалы, нанопористые твердые вещества и т.п.