|
Тихая революция "нано" |
|
В декабре 1995 года, почти в год присуждения Нобелевской премии за открытие фуллеренов в печати появилась в виде отчета работа Смита под названием «Молекулярная нанотехнология: источники финансирования исследований», где излагались идеи и прогнозы идеологов нанотехнологии. Нанотехнология вселяет большие надежды, исполнение которых должно привести к искоренению болезней, от которых страдает человечество, к продлению жизни и прекращению старения, очистке воздуха, водных источников, а также земли и околоземного пространства от мусора, к открытию и созданию новых источников жизнеобеспечения людей. Все это должно вызвать существенный рост благосостояния населения Земли, что в свою очередь кардинальным образом должно изменить властные, экономические и политические структуры в мире. Несмотря на большие сомнения, правительство США, а затем различные негосударственные фонды выделили значительные средства на развитие нанотехнологии. Соревнование по денежным вкладам в нанонауку и нанотехнологию развернулось между США и Японией. В 2003 году Япония опережала США, в этом году бюджетные средства, выделенные США, уже превышают затраты Японии. Значительные финансовые средства привели к бурному росту исследований по всем направлениям нанотехнологии и буквально обвальному увеличению числа терминов с приставкой «нано». В научной и популярной литературе появились работы о новой научно-технической революции, или «тихой революции». Наверное, ее можно назвать тихой революцией «нано». Почему эта революция стала возможной? Причин много. С одной стороны, человечество приблизилось в своем развитии к пониманию нового уровня состояния материи, что было подготовлено развитием приборной и инструментальной базы науки. С другой стороны, возрастающие потребности уже наталкиваются на недостаточную обеспеченность сырьевыми ресурсами, что заставляет усиливать поиски альтернативных источников энергии и жизнеобеспечения. Вместе с тем чудовищные загрязнения воздушного бассейна, водных источников, нагромождения твердого мусора, которые приводят к экологическим катастрофам в разных частях земного шара, наводят на мысль о необходимости изменения современных материалов, технологий, средств передвижения и обустройства жизни человеческого сообщества. В работах адептов нанотехнологии встречаются довольно резкие высказывания по поводу добывающих и перерабатывающих отраслей, современного транспорта, энергетики, медицины. Например, в той же статье Смита указывается, что такие отрасли, как пирометаллургия, нефте- и газодобыча, производство двигателей внутреннего сгорания и многое другое будут рассматриваться потомками как позорное пятно в истории развития общественного производства. По их мнению, на Земле достаточно мусора, чтобы можно было обойтись без добывающих отраслей. На определенном этапе развития общества для лучшего понимания явлений и закономерностей природы нужна была дифференциация наук. Нанонаука рождается как интегрированное знание, и это требует поставить на первое место вычислительный эксперимент, а затем его экспериментальную проверку на практике. Метод проб и ошибок в нанотехнологии неприемлем. Вместе с тем необходим новый подход к образованию. Скорее всего, целесообразно использовать как основной принцип обучения, принцип Гумбольдта — «обучение через исследование». Организационные формы такого образования были известны из истории Российской академии, когда академия и университет были неразделимы. Вузовско-академические подразделения и научно-образовательные центры наиболее полно отвечают требованиям тихой революции «нано», особенно в настоящий момент, когда создаются новые перспективные научные направления и делаются величайшие открытия в наномире. Что такое наномир и чем отличается от макро-, микро- и пикомиров? Почему линейный размер 10-9 в отличие от 10-6 и 10-12 привлекает внимание ученых и практиков? Для начала отметим, что активность частиц обусловлена обычно поверхностной энергией. Показателем активности может быть соотношение объема частицы к ее поверхности (при условии, что энергии единицы объема и поверхности практически совпадают). Поэтому чем меньше линейный размер частицы, тем она активнее. Однако, если размер частиц 10-12, то взаимодействия между ними в большинстве случаев не приводят к их самоорганизации и направленному достижению определенных свойств. А вот частицы размером 10-9 приобретают уже определенные формы (в ряде случаев — тел вращения) и способны к самоорганизации. Познание механизма самоорганизации (синергетики) открывает широкий простор для направленных на определенный результат действий создателей новых материалов, технологий и конструкций. Одним из обязательных условий создания наноструктур определенной формы и с определенным запасом поверхностной энергии является направленное воздействие поля (электрического, электромагнитного, магнитного поля, поля частиц) на рой частиц, что сопровождается потоком активных («заряженных») частиц. Возможностей получения наноструктур различных форм в настоящее время появилось множество. К наноструктурам относятся нанокристаллы, различного вида нанокластеры, фуллерены, нанотрубки (одно- и многостенные, цилиндрические и конические, с открытыми концами и закрытые крышками, бамбукоподобные, бусообразные, «русские матрешки», «луковицы», «свитки» и т.п.), нанопроволоки, дендритные образования и т.д. Способы получения только углеродных наноструктур очень разнообразны, но можно выделить два подхода, которые применяют для получения наночастиц. Первый подход связан с разрушением макро- или микрочастиц до наноструктурных частиц. Этот подход требует определенной сложности оборудования и сопряжен в большинстве случаев с затратой энергии и достаточно высокой долей побочных продуктов, сопутствующих основному нанопродукту. Второй подход соответствует созданию нанопродуктов синтезом из пикоразмерных химических частиц (атомов, ионов, радикалов и пикоразмерных молекул). Этот подход ближе к тому, что происходит в окружающей природе. Действительно, в природе, особенно в живой природе, процессы протекают с меньшими затратами энергии и при сравнительно небольшом выделении избыточной энергии и побочных продуктов. Поэтому, если следовать тому, чему учит нас природа, нужно не разрушать макросистемы, чтобы получать наноструктуры, а создавать наноструктуры из более мелких химических частиц, в дальнейшем используя полученный нанопродукт для синтеза новых наноструктур, — почти аналогия с делением живой клетки. В живой клетке за ее деление отвечают центриоли, которые представляют собой две пары цилиндрических частиц 300–500 нм длиной и 150 нм в диаметре, состоящие из 18–27 нанотрубочек диаметром от 5 до 9 нм. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) имеет структуру бифилярной спирали. В нанотехнологии ДНК сейчас предлагают применять в качестве нанореактора для синтеза наноструктур. Вообще термин «нанореактор» появился в то время, когда создали технологические зондовые установки, способные осуществлять синтез наночастиц из молекул углеродсодержащих газов. Такие установки сейчас производятся в Москве (концерн «Наноиндустрия») и в Зеленограде (ФГУП им. Лукина). Несмотря на большие возможности такой техники, в мире все большее развитие получает изучение нанореакторов, которые возникают при формировании различных веществ. Накоплен достаточно большой опыт получения наноструктур в коллоидной химии, химии полимеров, биохимии. В принципе любая макромолекула (вспомните ДНК) уже представляет собой наноструктуру, которая способна к самоорганизации. Сама по себе макромолекула в зависимости от условий, в которых находится, может сворачиваться в клубок или спираль, а при самоорганизации с другими макромолекулами может образовывать шаровидные структуры — глобулы; стержневидные структуры — фибриллы; слоистые — ламели. Сравните с наноструктурными образованиями углерода: фуллерены (сферы, для C60 из 60 атомов углерода), одностенные нанотрубки (цилиндры из углеродных атомов). Кстати, именно эти структуры, которые называют надмолекулярными структурами, определяют свойства полимерных материалов. Когда академик В.А. Каргин обнаружил надмолекулярные структуры в полимерах, он сразу же заговорил о возможности управления свойствами полимерных материалов. Практическое осуществление этой идеи нашло отражение в работах школы академика Журкова. В области коллоидной химии полимеров много работ, связанных с предметом нашего разговора, было сделано украинской школой академика Ю.С. Липатова. Таким образом, переход к химии в нанореакторах подготовлен предыдущими исследованиями в различных областях химии и физике. Почему
мы оказались среди тех, кто способствует
развитию тихой революции «нано»? Во-первых,
с приездом в Ижевск профессора В.А.
Трапезникова были созданы условия для
развития направления по физике и химии
поверхности. Во-вторых, усилиями
академика А.М. Липанова в 1980 г. была
организована первая (тогда в Советском
Союзе) проблемная лаборатория
замедлителей горения полимерных
материалов. Научное направление
лаборатории, посвященное исследованию
превращений замедлителей горения в
межфазных слоях полимерных материалов с
целью эффективного снижения их горючести,
очень хорошо сочеталось с научным
направлением школы профессора В.А.
Трапезникова. Вместе с тем это
направление подкреплялось разработками
математических моделей школы академика А.М.
Липанова. В 80-х годах в лаборатории была
сделана работа, получившая достаточную
известность в мире, посвященная синтезу «зародышей»
углеродных волокон из ароматических
углеводородов в расплавах алкил(арил)фосфоновых
кислот, имеющих слоистую структуру.
Параллельно подобные исследования, но в
расплавах хлоридов алюминия, проводились
в Японии и в расплавах полифосфорной
кислоты — в США. Во всех случаях процесс
протекал с образованием комплексов с
переносом заряда. Тогда у нас не было
достаточно оснований, чтобы сказать об
образовании новых форм углерода в
полученных продуктах. Однако в это время
уже проводились работы в области
изучения структур наноразмерных
образований в полимерных средах и
процессов, протекающих с участием
наночастиц, с целью улучшения
характеристик материалов и повышение
эффективности технологий их получения.
|
15.11.04