Наноматериалы и нанотехнологии

Адрес Новости История Структура События Результаты Разработки Конкурсы Мероприятия Газета
 Web-сайты

В июле-августе нынешнего года в течение 15 дней на острове Крит (Греция) проходила конференция NATO-ASI “Синтез, функциональные свойства и применение нано-структур”. Конференции NATO-ASI несколько отличаются от обычных международных научных симпозиумов и конференций и проводятся только по передовым научным направлениям. Буквальный перевод на русский язык аббревиатуры ASI (Advanced Study Institute) означает “институт передового обучения”. Что касается NATO, то эта всем известная организация занимается не только военно-политическими вопросами, но имеет и финансирует собственную очень обширную и разностороннюю программу научных исследований. Основная цель конференций NATO-ASI — встреча ученых, представляющих лидирующие в мире научные группы, обобщение научными лидерами последних достижений и обмен ими в форме обзорных лекций. По этой причине число участников не превышает ста человек, примерно 80 из них выступают с устными обзорными лекциями. Лекторы конференций NATO-ASI подбираются так, чтобы темы их выступлений не перекрывались. Продолжительность лекций от 30 минут до 1 часа, ежедневно проводится восемь таких лекций. Помимо лекторов на конференции NATO-ASI из разных стран приглашают 20-30 молодых ученых, которые могут представить стендовые доклады. Проведение этих конференций финансируется в основном научным отделом NATO. Все расходы лекторов по участию в конференции оплачиваются оргкомитетом.

Конференция NATO-ASI, в работе которой участвовал автор, была посвящена наноструктурам, поэтому сначала нужно рассказать, что же такое наука о наносостоянии, как и когда она возникла и как развивается.
Нанокристаллические материалы и нанотехнологии — одни из самых модных, быстро развивающихся и востребованных направлений современной науки. Вызванный ими научный бум продолжается уже двадцать лет. Это очень большой срок, особенно для мировой науки конца XX — начала XXI века, которая утратила присущее ей ранее олимпийское спокойствие и невозмутимость и находится в лихорадочном поиске источников финансирования.

Особые строение и свойства малых атомных агрегаций представляют значительный научный интерес, так как являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного (объемного) твердого тела. Главный вопрос при изучении нанокристаллического состояния — существует ли резкая, отчетливая граница между состоянием массивного вещества и нанокристаллическим состоянием, как быстро нарастает и на каком этапе объединения атомов завершается формирование того или иного свойства массивного кристалла, есть ли некоторый критический размер зерна или частицы, ниже которого проявляются свойства, характерные для нанокристалла, а выше — для массивного (объемного) вещества? Полного ответа на этот вопрос до сих пор нет. Не удивительно — ведь это общефилософский вопрос о переходе количества в качество. Не вполне ясно, каковы и как могут быть разделены вклады поверхностных (связанных с границами раздела) и объемных (связанных с размером частиц) эффектов в свойства наноматериалов.

Длительное время исследования наноэффектов проводились на изолированных кластерах, содержащих от двух атомов до нескольких сотен, малых частицах с размером более 1 нм и ультрадисперсных порошках. Переход от свойств изолированных наночастиц к свойствам массивных кристаллических веществ оставался белым пятном, так как отсутствовало промежуточное звено — компактное твердое тело с зернами нанометрового размера. Лишь после 1985 года, когда были созданы методы получения компактных нанокристаллических веществ, началось интенсивное заполнение этого пробела в знаниях о твердом теле. Именно тогда интерес к наноматериалам стал буквально всеобщим, так как обнаружилось (в первую очередь, на металлах), что уменьшение размера кристаллитов ниже некоторой пороговой величины может приводить к заметному изменению свойств. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдаются, когда размер зерен менее 10 нм. Таким образом, изучение свойств сверхмелкозернистых материалов требует учета не только их состава и структуры, но и дисперсности. Поликристаллические сверхмелкозернистые материалы со средним размером зерен менее  40 нм называют нанокристаллическими.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов. Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы. Нитевидные монокристаллы (усы) и поликристаллы (волокна) обладают очень высокой прочностью и благодаря этому их используют как наполнители легких композиционных материалов аэрокосмического применения. Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или его сплавов) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.

Очень важная и широкая область давнего и успешного применения малых частиц металлов, сплавов и полупроводников — катализ химических реакций. Гетерогенный катализ на малых частицах играет исключительную роль в промышленной химии. Наночастицы проявляют каталитическую активность в очень узком диапазоне размеров. Например, гидрирование бензола катализируется частицами родия размером 1,5–1,8 нм, т. е. по отношению к этой реакции каталитически активны частицы, содержащие только 12 атомов родия. Высокая селективность каталитической активности характерна и для наночастиц таких распространенных катализаторов как палладий и платина.

Столь высокая чувствительность каталитической активности к размеру малых частиц подчеркивает важность развития селективных методов получения наночастиц с точностью до 1–2 атомов. Очень узкое распределение наночастиц по размерам нужно не только для катализа, но и для современной микроэлектроники. Действительно, нанотехнология открыла новые возможности в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера. Заметим, что термин “нанотехнология” относится к размерам именно структурных элементов.

Охарактеризовать общее состояние исследований по наноматериалам очень трудно. Дело в том, что мало общего в получении наноматериалов осаждением из коллоидных растворов или же кристаллизацией аморфных сплавов — эти методы и их научные основы далеки один от другого не меньше, чем, например, астрофизика и гидродинамика.
Первыми методами получения дисперсных наночастиц были осаждение из коллоидных растворов и конденсация из газовой фазы. Если вы посетите в Лондоне музей Королевского института Великобритании, то увидите там две склянки с коллоидными растворами золота, полученными М. Фарадеем еще в первой половине XIX в. Диспергирование металла с помощью электрической дуги в жидкости с последующей конденсацией металлического пара осуществили и описали наши соотечественники В. Тихомиров и А. Лидов в 1883 г. Во всем мире испарение и конденсация из газовой фазы и осаждение из коллоидных растворов оставались двумя основными методами получения малых частиц вплоть до 80-х годов XX-го века (термины “наночастицы”, “наносостояние”, “нанокристаллический” стали широко применяться только после 1985 г.).

В СССР основные исследовательские и прикладные работы по получению и применению субмикрокристаллических материалов проводились в рамках атомного проекта на предприятиях Министерства среднего машиностроения и были закрытыми.

Центром таких работ было предприятие “Красная звезда”. Еще в сороковые годы удалось получить наноразмерные частицы оксалатов некоторых металлов. Положительной стороной закрытости было то, что режим секретности и нераспространения сведений на 20-25 лет обеспечил отечественное лидерство. Отрицательная сторона секретности сказалась позже — отсутствие научной конкуренции и свежих научных идей привели к определенному застою в этой области науки.       

К 1980 году состояние стагнации в изучении наносостояния было характерно не только для советской, но и для зарубежной науки. Прорыва в этой области никто не ожидал. Но он произошел и толчком к этому стали исследования профессора Г. Гляйтера (Германия), который создал установку для получения компактных (объемных) образцов нанокристаллических материалов. В публикациях Г. Гляйтера о структуре и свойствах компактных образцов нанокристаллических палладия было так много необычного, что они привлекли всеобщее внимание и тысячи исследователей по всему миру поняли — вот оно, новое направление научного прорыва! Немного позднее группа японских исследователей во главе с профессором А. Иноэ реализовала метод формирования наноструктуры в магнитных сплавах путем кристаллизации из аморфного состояния. Появились и быстро развились другие новые методы получения наноматериалов, значительно усовершенствовались существующие — например, механосинтез с помощью размола в высокоэнергетических шаровых мельницах. Бум начался.  

Первые публикации по наноматериалам были полны сенсационными результатами и выводами, отголоски которых слышны до сих пор. Прежде всего это относится к возможности радикального изменения свойств веществ и материалов при переходе в наносостояние. Надежды были очень велики, но тщательные исследования показали, что многие необычные результаты на свойствах наноматериалов связаны не столько с уменьшением размеров частиц, сколько с большим количеством примесей кислорода, азота, водорода из-за большой площади границ раздела, с неравновесностью структуры. Действительно, уменьшение зерен или частиц до нанометрового размера изменяет свойства веществ, но это изменение редко превышает 20-30%. Кроме того, оказалось, что при получении изделий из наноматериала очень трудно сохранить малый размер зерен и достигнутый положительный эффект. 

Необычные свойства наноматериалов обусловлены как особенностями отдельных частиц (кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами.

В России интенсивные исследования наноматериалов начались в 1989-1992 гг. — с запозданием на 3-5 лет. Основное направление исследований связано с получением наноматериалов. Уже на второй международной конференции по наноструктурированным материалам (Германия, Штутгарт, 1994 г.) был представлен достаточно широкий спектр российских докладов.

В конференции NATO-ASI, 2002 по наноструктурам участвовало около 90 человек, из них 60 лекторов и около 20 молодых ученых. Спонсорами конференции были отдел науки NATO, отдел военно-морских исследований США, исследовательский отдел армии США, европейское отделение аэрокосмических исследований и некоторые американские и европейские университеты. Большинство лекторов было из США (17 человек), 7 лекторов из России, по 2–4 лектора из Франции, Англии, Германии, Голландии, Италии, Швейцарии, Швеции, Греции и других стран. В конференции приняли участие ученые из Португалии, Венгрии, Украины, Белоруссии, Словении, Словакии, Сингапура, Румынии, Польши, Казахстана, Египта, Латвии, Молдавии, Турции. Местом проведения стал расположенный на берегу Эгейского моря фешенебельный и очень живописный отель Knossos Royal Village, находящийся недалеко от курортного городка Херсониссос. Благодаря климату морского побережья высокая температура (до 30 градусов и выше) почти не ощущалась. Для проведения конференции были созданы идеальные условия — прекрасный конференц-зал, оснащенный всей современной оргтехникой от компьютеров до микрофонов, превосходные бытовые условия.   

От лица оргкомитета конференцию открыл профессор Т. Цакалакос из университета Ратгерса (США), редактор журнала “Nanostructured Materials”. Первую лекцию “Синтез и самоорганизация наноструктур” сделал профессор М. Мухаммед из Королевского технологического института (Швеция). Почти все лекции были очень интересны и содержательны, но особо хотелось бы отметить выступления М. Мухаммеда (Швеция), Б. Раса (США), Р. Вильямса (США), П. Аджаяна (США), М. Баратон (Франция), Е. Бонетти (Италия), Р. Хемпельмана (Германия). Первым из российских лекторов в день открытия конференции выступал автор этой заметки с лекцией об атомно-вакансионном упорядочении как новом методе создания наноструктур. Среди российских докладчиков были А. Глезер и Р. Андриевский (Москва), Р. Валиев (Уфа), И. Овидько, А. Романов и В. Устинов (Санкт-Петербург). 

Среди самых интересных наноструктур, полученных экспериментально в последние 2-3 года, на конференции NATO-ASI наибольший интерес вызвали три: наноструктура карбида ванадия, полученная с помощью упорядочения (Россия, Екатеринбург, Институт химии тведого тела УрО РАН); нанотрубки карбидов кремния и бора (Украина, Киев, Институт проблем материаловедения); наноструктура, представляющая собой выращенные на подложке в правильном порядке пучки углеродных нанотрубок (США, Троя, Department of Materials Science and Engineering, Rensselaer Polytechnic Institute). Последняя из трех наиболее перспективна для предполагаемого применения в интегральных микросхемах следующего поколения и в микроэлектромеханических устройствах. 

Буквально через две недели после конференции на Крите в Томске прошла 6-я всероссийская конференция по физикохимии ультрадисперсных и наносистем. Конференция была хорошо организована, число непосредственных участников составило около двухсот человек, аудитория во время устных докладов всегда была полна. Оценивая и сравнивая содержание прослушанных отечественных и зарубежных докладов, отмечу следующее. Особенностью современного этапа зарубежной науки о наносостоянии являются высокий технологический уровень исследований, тщательная характеристика полученных веществ по составу и структуре, обеспечение высокой селективности по размеру наночастиц, защита поверхности наночастиц от примесей. В России аттестация наноматериалов по самому важному параметру — размеру частиц, — до сих пор остается слабым местом многих исследований. 

За рубежом основное направление наноструктурных исследований уже почти полностью сместилось от изучения и применения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии, т. е. создания изделий и устройств с наноразмерными элементами. Основные области применения наноразмерных элементов — это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология. Дополнительные капиталовложения в наноструктурные исследования для медико-биологического и химико-фармацевтического применения сравнимы с дополнительными вложениями средств на аналогичные исследования в области электроники. Если квантовые точки и проволоки для электроники уже достаточно известны и в этой области Россия (как генератор идей) пока не очень сильно отстает от развитых стран, то технологическое отставание уже велико. Работы же в области медицины и фармацевтики выглядят фантастикой — это микронасосы и микросредства для доставки лекарств непосредственно к больным клеткам того или иного органа, микромеханизмы для обнаружения и разрушения раковых клеток и т. д. В биологии речь идет уже о создании искусственных биологических наноструктур разного функционального назначения. Хотелось бы думать, что в России подобные исследования тоже ведутся, однако ни на одной из отечественных конференций последних лет по наноматериалам, наноструктурам и нанотехнологиям (Красноярск, 1996 и 1999; Обнинск, 1998; Екатеринбург, 2000; Санкт-Петербург, 2001; Томск, 2002 и т. д.) таких сообщений не было. Действительно, отечественные исследования до сих пор сконцентрированы на методах получения и свойствах наноматериалов, вопросах прессования и спекания нанопорошков и пр.

Еще одно явное преимущество зарубежных исследований по наноструктурам — их целенаправленность. Цель может быть фундаментальной или прикладной, но формулируется она совершенно четко. Что касается российских работ, то не всегда можно понять, для чего сделано то или иное исследование. Приятно отметить, что доклады уральских ученых на конференции в Томске были лишены этого недостатка. Все доклады, представленные от екатеринбургской группы институтов УрО РАН (ИЭФ, ИФМ, ИХТТ, ИМет), были встречены с интересом и вызвали живое обсуждение.    

Конференция в Томске показала возрастание интереса российских ученых к проблеме наносостояния. Большое число докладов, их активное обсуждение, заметное расширение и омоложение участников конференции дают надежду на то, что возникший в последние 10-15 лет разрыв между мировой и отечественной наукой можно преодолеть.

А. ГУСЕВ, заведующий лабораторией ИХТТ
УрО РАН  

(подписи к снимкам):
Здесь проходила конференция
NATO-ASI по наноструктурам.
Наноструктура карбида ванадия, похожая
на распустившиеся розы(Екатеринбург, ИХТТ УрО РАН)
Это не ромашки, а наноструктура из выращенных
пучков углеродных нанотрубок
(USA, Rensselaer Polytechnic Institute)
Участники конференции
“Физикохимия ультрадисперсных систем”
(Томск, август 2002 г.)

Адрес Новости История Структура События Результаты Разработки Конкурсы Мероприятия Газета
 Web-сайты