Новости из наномира
Нанокристаллическое состояние вещества — одна
из самых актуальных современных научных проблем, находящаяся на стыке многих
наук и требующая комплексного охвата. Именно этой проблеме посвящена новая
книга заведующего лабораторией тугоплавких соединений Института химии
твердого тела УрО РАН, доктора физико-математических наук, профессора А.И.
Гусева «Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии», выпущенная
издательством «Наука-Физматлит» в августе нынешнего года. По словам автора,
«тройное» название книги неслучайно и соответствует ее содержанию: она
включает разделы, посвященные получению и свойствам наноматериалов,
особенностям структуры малых частиц и границ раздела, технологиям,
оперирующим объектами величиной порядка нескольких нанометров, которые по
размеру сопоставимы с атомами. Основной отраслью, где нанотехнологии уже
нашли применение, является электроника, и именно эти реальные нанотехнологии
обсуждаются в книге. Отдельная глава посвящена определению размера малых
частиц – это очень непросто и чрезвычайно важно при работе с нанообъектами.
Рассмотрена также динамика развития науки о наноматериалах и нанотехнологиях.
Для удобства читателей книга снабжена авторским и предметным указателями.
Предыдущие книги А.И. Гусева, а также монографии в соавторстве с А.А.
Ремпелем «Наука Урала» уже представляла. В связи с выходом новой книги мы
попросили автора сказать несколько слов о наномире и его специфике.
— Строение и свойства малых атомных агрегаций
очень интересны, так как являются промежуточными между строением и
свойствами изолированных атомов и массивного (объемного) твердого тела. Как
быстро нарастает и на каком этапе объединения атомов завершается
формирование того или иного свойства массивного кристалла, есть ли какой-то
критический размер зерна или частицы, ниже которого проявляются свойства,
характерные для нанокристалла, а выше — для массивного (объемного) вещества?
Полного ответа на эти вопросы до сих пор нет. И неудивительно, ведь это
общефилософские вопросы о переходе количества в качество. Длительное время
пере-ход 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 1980–1985 годов благодаря усовершенствованию известных и
созданию новых методов получения как дисперсных, так и компактных
нанокристаллических веществ началось интенсивное заполнение отмеченного
пробела в знаниях о твердом теле.
— Чем обусловлен прикладной интерес к
наноматериалам?
— Прежде всего возможностью заметной
модификации и даже принципиального изменения свойств известных материалов
при переходе в нанокристаллическое состояние, перспективами, которые
открывает нанотехнология в создании материалов и изделий из структурных
элементов нанометрового размера. Сфера применения наноматериалов огромна —
более эффективные катализаторы, пленки и квантовые точки для
микроэлектроники, новые магнитные материалы, защитные покрытия. В ближайшие
десятилетия наноструктуры будут функционировать в биологических объектах,
найдут применение в медицине. Наиболее ярко успехи нанотехнологии
проявляются в электронике и компьютерной технике благодаря дальнейшей
миниатюризации электронных устройств и созданию одноэлектронных
нанотранзисторов.
Если первые работающие (1959 г.) простейшие
чипы состояли из десятка элементов, то к 1970 г. микросхемы включали до 10
тысяч элементов. Прогресс в электронике сопровождался быстрым уменьшением
стоимости электронных устройств: в 1958 г. один транзистор стоил около 10
долларов, а в 2000 за эту же цену можно было купить микросхему с десятками
миллио-нов транзисторов. В современных микросхемах массового производства
для включения/выключения транзистора необходимо около 1000 электронов. К
2010 г. благодаря миниатюризации количество необходимых электронов
уменьшится до десяти, и уже ведутся работы по созданию одноэлектронного
транзистора.
Разработанный компанией Intel в 1983 г.
процессор i386TM содержал 275000 транзисторов и выполнял более 5 миллионов
операций в секунду; процессор i486TM, разработанный в 1989 г., содержал уже
1 миллион 200 ты-сяч транзисторов, а наиболее распространенный процессор
начала XXI века Pentium®Pro содержит 5.5 миллионов транзисторов и имеет
производительность 300 миллионов операций в секунду. Размер транзисторов
достиг предельной минимальной величины, доступной для современных
технологий, и поэтому дальнейшее уменьшение размеров может быть достигнуто
только при использовании нанотехнологии.
Можно привести и бытовые примеры. Если ткань с
нанопокрытием на 25% лучше отталкивает грязь и жир, то одежду из такой ткани
можно стирать на 25% реже. Это значит, что нужно на 25% меньше стирального
порошка. В Германии создано нанопокрытие, защищающее стекла от загрязнения.
Такие стекла всегда чисты и не требуют периодической мойки.
Об интересе к наноматериалам и нанотехнологии
свидетельствует рост объема вложений в эту отрасль науки и техники. По
данным компании Lux Research, правительства, корпорации и частные
предприниматели по всему миру в 2004 г. потратили более 8,6 млрд долларов на
исследования в области нанотехнологий, причем 4,6 млрд долларов из этой
суммы вложили государственные структуры. Например, правительство США
израсходовало на программы «нано» почти в два раза больше, чем когда-либо
тратило в год на знаменитый проект «геном человека». Промышленные компании,
занимающиеся химией, новыми материалами, полупроводниками, медицинскими
приборами, фармацевтикой, производством устройств для хранения инфор-мации,
обороной, инвестируют значительные средства в нанотехнологические проекты. К
сожалению, это не имеет отношения к России.
— Расскажите, пожалуйста, о ваших
результатах по созданию наноматериалов.
— В лаборатории тугоплавких соединений синтезом
и изучением наноматериалов наиболее активно занимаются А.А. Ремпель, Н.С.
Кожевникова, Г.П. Швейкин, А.С. Курлов. В настоящее время в лаборатории
освоены пять методов получения веществ в наноструктурированном состоянии.
Это создание наноструктуры с помощью атомно-вакансионного упорядочения
нестехиометрических соединений, осаждение из коллоидных растворов,
интенсивная пластическая деформация металлов, размол в высокоэнергетической
мельнице, золь-гель технология. Наиболее эффектные результаты удалось
получить атомно-вакансионным упорядочением (необычная наноструктура карбида
ванадия) и осаждением из коллоидных растворов (самоорганизация наночастиц
сульфида кадмия). Но главное для нас — не само по себе получение
наноструктурированных веществ, а изучение факторов, в наибольшей степени
влияющих на их свойства, создание наноматериалов со стабильными во времени и
при повышенной температуре структурой и свойствами.
Подготовила Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото: А.А. Ремпель и Н.С. Кожевникова
обнаружили самопроизвольное образование этих правильных шестигранников из
наночастиц сульфида кадмия.