1.7.3 Понятие и классификация нанотехнологий

В современном мире слово «нано» одно из наиболее цитируемых в средствах массовой информации. В мире до сих пор нет однозначного определения этого термина. На данный момент само существование наноматериалов и нанотехнологий вызывает разнообразные мнения, взгляды и порождает мифы. Одно из самых популярных объяснений таково: нанотехнологии – это определенные технологии манипулирования веществом на молекулярном и атомном уровне.

Префикс нано (греч. nanos) означает «карлик». Частица «нано» применяется для обозначения определенной доли физических величин. Речь идет об одной миллиардной части (10^–9 = 0, 000 000 001) какой-либо величины, что позволяет вводить, например, нано- литр ( = 10^–9 литра), наносекунду (1 нс) или нанометр (1 нм = одной миллиардной метра, одной миллионной миллиметра или одной тысячной микрометра). Введение таких дополнительных мер длины играет особую роль для определения НТ, однако НТ нельзя упрощенно связывать лишь с масштабами объектов.

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году, где он выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».^.

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам и создания на их основе новых веществ на чрезвычайном малом (субатомном ) уровне. При этом сам Фейнман не пользовался термином «нанотехнология», Это понятие было введено в обиход позднее (1974) японцем Норио Танигучи. Танигучи использовал понятие нано- только для обозначения точности обработки поверхностей, например, в технологиях, позволяющих контролировать шероховатости поверхности материалов на уровне меньше микрометра и т. п. Он назвал этим термином производство механизмов размером менее одного микрона.

В 1986 году нанотехнология (НТ) стала известна широкой публике.

В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:

• знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

• использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

В научно-популярной литературе по наноиндустрии дается достаточно широкий разброс определений нанотехнологий. На наш взгляд сегодня наиболее приемлемым является определение, которое дано в «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года» в котором аккумулирована и научная и производственная составляющая этого современного направления человеческой деятельности. «Нанотехнология – совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов».

Этого кажущегося несколько абстрактным определения с одной стороны, вполне достаточно, чтобы упорядочить представления о различных областях применения НТ. С другой стороны, оно исключает некоторые области применения инновационного характера, которые «незаконно» причисляются к НТ. Особое значение имеет установление нанообласти в интервале 1–100 нм, так как именно в этой области размеров проявляется большинство абсолютно новых свойств любых объектов. Ниже этого предела находятся отдельные атомы или молекулы, а выше — микротехнологии. Путем ограничения в приведенном определении на два нанометровых измерения исключается возможность, что продуктом НТ назовут, например, просто очень тонкий слой на поверхности (толщиной несколько нм), хотя структурные компоненты этого слоя при соответствующих параметрах, несомненно, будут являться нанокомпонентами системы.

НТ не является чем-то абсолютно новым, поскольку частицы с нанометрическими параметрами известны очень давно (например, именно такими частицами давно занимаются специалисты по коллоидной химии)⁶. Следует отметить, что важнейшей компонен­той нанотехнологий является химический синтез нанопродуктов. По сути дела, химики занимались нанотехнологиями на протяжении двух с половиной столетий.

Нанонаука, это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника, принципиальное отличие коллоидных систем к которым относятся: облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том что поверхность таких частиц или огромных молекул в миллионы раз превосходит объем самих частицы, такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира как то стол, книга, песок. Поведение таких систем сильно отличается от поведения истинных растворов и расплавов и от объектов макромира благодаря высокоразвитой поверхности, как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров, отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов о которых идет речь.

Одной из важнейших проблем, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии— супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул белков. Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК.

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия. В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы как не оптические, так и оптические методики.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Ведя разговор о нанотехнологическом буме необходимо не забывать одно весьма важное обстоятельство. Оно связано с ответом на вопрос: Какую продукцию можно относить к наноиндустрии? В этой связи небезинтересно суждение академика РАН М.В. АЛФИМОВ

«Проводить такое выделение необходимо осторожно, учитывая то, что практически все материалы содержат элементы (субструктуры), лежащие в интервале размеров 1–100 нм. Если подходить формально, то большая доля всех производимых продуктов может быть отнесена к продуктам наноиндустрии. К продукции наноиндустрии относятся продукты, которые имеют наноразмеры (наноструктуры, наночастицы), содержат в своем составе наноэлементы, или продукты, при производстве которых были использованы нанотехнологии.

Из перечисленных категорий нанопродукции наиболее неопределенной является категория продуктов, которые в своем составе содержат наноэлементы. К данной категории могут быть отнесены продукты, полученные интеграцией нанокомпонентов в макрообъект. А значит, к нанопродукции можно будет относить любые классические продукты, которые содержат в своем составе наномодифицированные элементы. При этом объем продукции наноиндустрии будет существенно превышать объемы собственно продукции наноиндустрии как таковой.

К этой категории нанопродукции относятся в первую очередь разнообразные изделия с наноупрочняющими или иными нанофункциализирующими покрытиями. Считать такие продукты продуктами наноиндустрии можно лишь в том случае, если нанокомпоненты продукта создают принципиально новые функциональные и потребительские характеристики нанопродукции и нанокомпоненты являются неотделимой частью произведенного изделия⁷». Анализ результатов научных исследований и производственных отчетов в области наноиндустрии необходимо вести с учетом этой точки зрения. Это даст возможность избежать искажения развития наноидустрии в любой стране. Тогда нанобум будет выглядеть значительно скромнее и объективнее, а средства, отпускаемые на развитие нанотехнологий, будут тратиться более эффективно.

Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона: наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм). С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.), выделяют следующие типы наноматериалов:

• нанопористые структуры;

• наночастицы;

• нанотрубки и нановолокна;

• нанодисперсии (коллоиды);

• наноструктурированные поверхности и плён­ки;

• нанокристаллы и нанокластеры.