Текст книги "Нанотехнологии: настоящее и будущее"

Геннадий Трофимович Черненко
Нанотехнологии: настоящее и будущее

© В. А. Карачёв, текст, оформление обложки, иллюстрации, 2011–2018

© В. А. Карачёв, составление серии, 2000–2018

* * *

В это трудно поверить, но придет время (и оно уже не за горами), когда по нашему заказу, на наших глазах, прямо у нас дома будут изготавливаться любые вещи, любые продукты, все, чего пожелаем. Похоже на сказку. Но реальностью, былью ее сделают нанонаука и нанотехнологии.

Они развиваются стремительно и уже многого достигли. Мы еще просто до конца не осознали, что мир стоит на пороге грандиозного технологического прорыва, который коренным образом изменит не только технику, экономику, но и всю окружающую жизнь.

По-другому станут работать фабрики и заводы. Возможно, уже не понадобится выращивать зерно в полях, а яблоки в садах. Все, что мы едим, будет изготавливаться искусственно, причем по качеству, по вкусу эта еда ничем не будет отличаться от натуральных продуктов.

Совершенно другой – надежной и эффективной – станет медицина. Мы будем лечиться совсем не так, как сегодня. Нанотехнологии, заверяют ученые, сделают людей долгожителями, а быть может, и бессмертными.

Человечество вышло в космос и успешно осваивает его. Теперь наступило время пойти и в обратном направлении, освоить другое, не менее таинственное пространство.

Приглашение в наномир

Ричард Фейнман, знаменитый американский ученый, лауреат Нобелевской премии, был известен не только своими выдающимися открытиями в квантовой физике, но и необычными для физика увлечениями. Великолепный ударник, он играл в джазе на бразильских барабанах не хуже опытных профессионалов. Ричард прекрасно рисовал и занимался расшифровкой рукописей майя.

А еще он очень любил разгадывать хитроумные головоломки. Например, обожал открывать без ключа замки в сейфах. И чем замок был сложнее, тем большее удовлетворение испытывал этот ученый-взломщик.

Его, уже известного физика, пригласили в Лос-Аламос, секретную лабораторию, в которой американские ученые напряженно работали над созданием атомной бомбы. Однажды шутки ради он вскрыл сейф, в котором хранились сверхсекретные расчеты, оставил там записку с надписью «Я тут побывал» и захлопнул стальную дверцу. Легко представить, как переполошились секретные службы, когда нашли эту записку.

Одну из своих автобиографических книг ученый назвал так: «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?». Вот почему, когда он объявил о, казалось, совершенно фантастической идее, многие подумали, что знаменитый физик просто шутит.

Отец нанотехнологий физик Ричард Фейнман

Произошло это 29 декабря 1959 года на рождественском обеде Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. Профессор Ричард Фейнман выступил там с лекцией под странным названием «Внизу полным-полно места». В ней прозвучала мысль о манипуляции отдельными атомами и молекулами, о возможности искусственно создавать вещества и объекты, собирая их атом за атомом, молекула за молекулой.

Фейнман говорил о жалобах некоторых ученых на то, что они якобы опоздали родиться, что в физике уже не осталось места для новых великих открытий. Сам он считал иначе.

Управляя положением атомов, можно получить, синтезировать любые вещества. «Пока мы вынуждены пользоваться, – говорил ученый, – атомарными структурами, которые предлагает нам природа. Но в принципе физик мог бы получить любое вещество по заданной ему химической формуле. Никакой физический закон не мешает нам сделать это».

Другими словами, Ричард Фейнман предлагал использовать атомы как некий строительный материал, вроде мельчайших кирпичиков или крохотных деталек, невидимых невооруженным глазом.

Осуществить эту идею в то время мешало лишь одно: не было еще приборов, которые позволили бы заглянуть в мир атомов и молекул и воздействовать на них. Такие приборы, в том числе сверхсильные микроскопы, нужно создать как можно скорее, призывал ученый. Там, «внизу», в мире атомов много свободного места, смело заявил он, там исследователей ждут невообразимые находки и открытия.

Таинственные частицы

Строго говоря, идея Ричарда Фейнмана не была абсолютно новой. Задолго до него, еще в Средние века алхимики пытались превратить один металл в другой, точнее говоря, свинец в золото, научиться изменять состав химических элементов.

Золота они так и не получили, но открыли рецепты многих очень полезных и нужных веществ: красителей, лекарств, сплавов. Манипулировать атомами и молекулами, формировать из них мельчайшие частицы, названные позже наночастицами, в те далекие времена науке было еще не под силу.

Зато их с легкостью производила сама природа. Известно, что аборигены (коренные жители) Австралии, люди почти первобытные, для раскрашивания своих лиц устрашающими боевыми узорами использовали краски, в которых, как показали современные исследования, содержались наночастицы. Именно они делали краски яркими и стойкими.

Древние египтяне и греки несколько тысяч лет назад использовали вещество с наночастицами – минерал галенит, соединение на основе свинца. Это вещество древнеегипетские и древнегреческие красавицы применяли для окрашивания волос. Наночастицы галенита легко проникают внутрь волос и окрашивают их в черный цвет.

Австралийцы рисовали узоры на лицах красками, содержавшими природные наночастицы

Древнеегипетские красавицы красили волосы галенитом – веществом с наночастицами

Долгое время никто даже не подозревал, что наночастицы образуются и в самом обыкновенном мыльном растворе. Эти частицы, мицеллы (в переводе с латинского «крошечки»), придают мылу столь сильные моющие и дезинфицирующие свойства.

Средневековые мастера, изготавливавшие стекла для витражей соборов и замков, заметили, что крохотные частички золота меняют цвет в зависимости от своих размеров. Они могут быть зелеными, оранжевыми, красными, пурпурными. Добавляя эти частички в стекольную массу, можно получить разноцветные стекла изумительной красоты.

То же самое происходило, если золотые частички подмешивали в глазурь, которой покрывали затем дорогие изделия. Старинные мастера умели создавать истинные произведения искусства, но объяснить, почему изменяется цвет золотых частичек, они не смогли бы.

В лаборатории алхимика, ищущего рецепт превращения свинца в золото

Или вот еще один пример. В Карелии, вблизи Онежского озера царь Петр I повелел создать курорт Марциальные воды, первый в России. Целебная сила этих вод была давно известна. Но только сотни лет спустя после основания курорта удалось выяснить причину целебности марциальной, или шунгитовой, воды.

Причина же состоит в том, что на воду источника воздействует залегающий здесь минерал шунгит, содержащий природные наночастицы. Они-то и делают воду полезной для здоровья.

Любопытно, что шунгит, как полагают ученые, образовался в давние-предавние времена в результате падения огромного метеорита. Сильнейший удар космической глыбы о землю породил и минерал шунгит, и чудодейственные частицы.

Что такое «нано»

Греческое слово «нанос» переводится как «гном», «карлик». От этого слова и произошла приставка «нано», означающая одну миллиардную часть любой меры длины. Например, один нанометр меньше метра в один миллиард раз, или равен одной миллионной доли миллиметра.

Вообразить такую величину, на много меньшую микроскопической, почти невозможно. Мы привыкли к другим размерам, значительно большим. Их называют макроскопическими.

Один из витражей, украшающих Кельнский собор

Толщина человеческого волоса равна примерно 50 тысячам нанометров. Величина микроба – это сотни нанометров. Опыты показывают, что наш глаз без микроскопа способен разглядеть объект размером не менее 10 тысяч нанометров. Где уж тут увидеть микроорганизмы, не говоря об атомах и молекулах.

Размер атома водорода, самого маленького атома из всех, – около одной десятой нанометра. Сказать иначе, на отрезке в один нанометр могут поместиться бок о бок десять водородных атомов. Меньше нанометра также небольшие молекулы, свободно блуждающие в пространстве. Нанонаука занимается изучением мельчайших частиц, размер которых хотя бы по одному параметру из трех (ширине, длине, высоте) равняется от одного до ста нанометров.

Мир наночастиц – особый, совершенно отличный от привычного нам большого макромира. При наноразмерах основные, или фундаментальные, химические, физические, электрические, оптические свойства совсем другие, чем при макроразмерах. В подтверждение этого только один пример.

В школе все изучают закон Ома, определяющий зависимость между силой электрического тока, его напряжением и сопротивлением проводника. Для «большого» провода этот закон строго соблюдается. Однако он уже не действует, если сечение провода имеет размер в один атом. В обычных условиях электроны могут двигаться по проводнику свободно. Другое дело – по нанопроводу. Тут они должны идти лишь строем, гуськом, по одному, то есть совсем не по закону Ома.

Старинный собор в немецком городе Кельне

Чтобы ясно представить изменения, происходящие с веществом при переходе в наномир, мысленно разрежем большой куб из чистого золота на восемь равных кубиков. Разумеется, свойства каждого из них останутся теми же, что и были.

Будем таким же образом разрезать наши золотые кубики все дальше и дальше. Даже когда они достигнут микроскопических размеров, свойства их не изменятся. Но так будет лишь до тех пор, пока мы не перейдем через границу наномира и кубики не превратятся в наночастицы. Тогда мы увидим, что цвет золота начнет меняться. Из желтого и блестящего оно превратится в красное, оранжевое, зеленоватое, в зависимости от размеров кубика.

Объясняется это тем, что общая поверхность частиц при измельчении до наноразмеров увеличивается в миллионы раз. Вместе с этим возрастет и химическая активность золота, а также изменятся его оптические свойства. Оно будет плавиться уже при другой температуре, иначе проводить электричество, изменится его твердость. Но самое интересное, что вступит в права совсем другая физика, квантовая, при которой свойства веществ изменяются дискретно, то есть скачками, неделимыми порциями, квантами.

И такие превращения будут происходить с любым материалом: железом, медью или свинцом. Но интересно, что при соединении частиц вместе нанозолото снова превратится в обычное, со своими прежними свойствами.

Чудеса нанотехнологий

Поведать об удивительных свойствах наночастиц всех веществ в коротком рассказе невозможно. Для этого понадобилась бы большая, толстая книга. Исследованием свойств наноматериалов занимаются целые институты и крупные фирмы. Способы производства и применения таких материалов получили название нанотехнологий.

Кто же не знает, что вода, обработанная серебром, говоря другими словами, содержащая наночастицы серебра, может храниться, не портясь, годами и даже становиться целебной? При этом, уничтожая микробы и вирусы, серебряные наночастицы ничуть не повреждают человеческий организм, для него они безвредны. И самое замечательное, что с течением времени эти частицы никуда не деваются, не исчезают, а их защитная сила остается прежней.

Бактерицидная ткань с серебряными нанопроволочками, уничтожающими болезнетворные бактерии и вирусы

Давно возник вопрос: нельзя ли с помощью наночастиц серебра усилить действенность различных косметических и гигиенических средств? Оказалось, что можно. Появились зубная паста, кремы и шампуни с серебряными наночастицами, лучше очищающие, сильнее смягчающие.

Было выяснено также, что ткань, в которую добавлены наночастицы серебра, сама себя очищает, дезинфицирует. Значит, если из такой ткани пошить медицинские халаты, то они всегда будут оставаться стерильными. Да и не только они. Из подобной же наноткани можно изготавливать больничное постельное белье, полотенца, занавески. Очень важно, что при стирке этих вещей наночастицы не вымываются, остаются и продолжают обеспечивать стерильность.

Но и это еще не все. Уже существуют специальные бактерицидные аэрозоли с серебряными наночастицами. Они намного эффективнее других химических средств для обработки бытовых предметов и вещей из стекла, керамики, дерева и к тому же безвредны.

Нанотехнологи разработали специальные дезинфицирующие нанокраски для окрашивания стен больничных помещений, где требуется особая чистота. Созданы также угольные фильтры с наночастицами серебра для очистки воды, действующие долго и надежно.

Вот какими ценными свойствами обладают серебряные наночастицы, защитники от болезнетворных микробов и вредных веществ. Но есть и другие защитники.

Химическое соединение цинка с кислородом, оксид цинка, отличается тем, что его наночастицы способны поглощать различные виды электромагнитного излучения: радиочастотное, микроволновое и др. Стекла солнечных очков с наночастицами оксида цинка надежно защищают от ультрафиолетовых лучей. А одежда, изготовленная из материалов с теми же частицами, не только послужит преградой для ультрафиолета, но и защитит от перегрева.

Уникальными свойствами обладают и наночастицы диоксида кремния (химического соединения кремния с кислородом). Достаточно покрыть, например, стену этим веществом, и она становится самоочищающейся: грязь к ней уже не пристает.

Можно сделать незагрязняющейся и одежду, обработав ее раствором с наночастицами диоксида кремния. После обработки этим составом жир, мороженое или пролитое по неосторожности кофе не смогут оставить пятен на платье, рубашке или костюме.

И это только три примера удивительных свойств частиц из наномира.

Одежда, сшитая из наноткани, созданной в Англии, вырабатывает электричество. Оно возникает при трении нановолокон друг о друга и может быть использовано, например, для обогрева

Рождение невидимок

Но как получить наночастицы, как их изготовить? Ученые придумали ряд способов. И хотя они разные, их можно свести к трем основным.

Первый способ заключается, говоря упрощенно, в том, что исходные материалы измельчают подобно тому, как зерно перемалывают в муку. Образовавшаяся «наномука» и есть масса наночастиц. Это наиболее простой способ. У него есть научное название – диспергационный метод.

Но дробить вещество можно не только механически. Российские нанотехнологи предложили другой способ измельчения: мощным электрическим разрядом, электрическим импульсом, как говорят физики. Для этого тонкая металлическая проволока закрепляется между двумя электродами. На них подается электрический ток. Проволока взрывается и превращается во множество наночастиц.

В этом аппарате наночастицы получаются при помощи электровзрывов:

1 – камера, заполненная гелием; 2 – электроды; 3 – проволока

Третий способ называется конденсационным. И это очень точное название. Слово «конденсация» в переводе с латинского означает «уплотнение» или «сгущение». Как конденсирует, сгущается водяной пар, превращаясь в воду, знает каждый. Если подержать холодное стекло над кипящей водой, на нем появятся мелкие капельки. Вода в результате конденсации пара распалась на множество маленьких частиц.

Подобным же образом можно получить и наночастицы. Для этого исходное вещество сначала нагревают, расплавляют и, наконец, испаряют. Затем этот пар резко охлаждают. Он конденсируется и превращается в наночастицы, подобно тому как превращается в капельки сгустившийся водяной пар.

Правда, состояние образовавшихся наночастиц неустойчиво. Если не принять мер, не законсервировать их, то они начнут слипаться и в конце концов превратятся в прежний сплошной материал.

Надо сказать, что то же самое может произойти и с наночастицами, полученными механическим и электрическим способами. Как только рождение наночастиц заканчивается, равновесие самопроизвольно нарушается, они начинают срастаться, укрупняться, и материал возвращается в свой первоначальный вид.

Впрочем, способ борьбы с этим явлением существует, и его применяют на практике. Состоит он в том, что в массу образовавшихся наночастиц добавляют так называемый стабилизатор, например раствор белков, молекулы которых покрывают поверхность наночастиц и тем самым препятствуют их укрупнению. А изменяя состав стабилизатора, можно получать наночастицы требуемого размера.

Американцы изобрели еще один способ получения наночастиц, можно сказать, экзотический: с помощью микроорганизмов, живущих на листьях фигового дерева, или инжира. Нанотехнологи поместили эти микробы в специальный раствор. Живя в нем, бактерии создавали наночастицы. Найдет ли этот диковинный метод широкое применение, пока не ясно.

Открытие фуллеренов

Издавна были известны два вида углерода – графит и алмаз. Первый состоит из плоских слоев, лежащих один на другом, как карты в колоде. В каждом слое связи между атомами очень прочны, но сами слои соединены довольно слабо, легко сдвигаются и ломаются.

Вот почему графит так широко используется для изготовления карандашей. При трении о бумагу графит на кончике карандаша отслаивается и оставляет на бумаге след в виде надписей или рисунков. По той же причине графит иногда применяют в качестве смазки трущихся частей машин и механизмов. Иное дело алмаз – самое твердое и самое прочное вещество в природе. Его атомы группируются так, что образуется необычайно крепкая кристаллическая решетка.

Когда в 1985 году стало известно, что группе химиков (американцам Ричарду Смолли, Роберту Керлу и англичанину Гарольду Крото) удалось открыть новую разновидность углерода, это стало настоящей сенсацией. Некоторые ученые даже отказывались верить удивительному сообщению, считая, что произошла какая-то ошибка. Однако повторные исследования других ученых подтвердили открытие, и десять лет спустя Смолли, Крото и Керл были удостоены Нобелевской премии.

Молекула этой ранее неизвестной разновидности углерода имела кристаллическую решетку, состоящую из 60 атомов. По виду молекула сильно отличалась от известных и напоминала футбольный мяч, сшитый из многогранных лоскутков кожи.

Ричард Смолли

Роберт Керл

Гарольд Крото

Новый вид графита был назван фуллереном в честь архитектора Ричарда Фуллера, который первым спроектировал и построил купол здания, похожий по своей конструкции на молекулу вещества, открытого нобелевскими лауреатами.

Для нанотехнологий открытие ученых-химиков имело огромное значение. Фуллерены – это наночастицы, обладающие некоторыми чертами графита и алмаза, но имеющие и свои, очень ценные, особенности.

Стали известны фуллерены не только шарообразные, но и в форме дыни, построенные из 70–80 атомов. Из веществ, содержащих фуллерены, нанотехнологи научились изготавливать полимеры, очень прочные пленки. Кристаллы (фуллериты) нашли применение в электронике, в компьютерах.

А вскоре были открыты еще более удивительные наночастицы углерода, родственники фуллеренов. Произошло это в 1991 году. Исследуя сажу, которая появлялась после электродугового разряда на электроде, японский ученый Сумио Ииджима увидел незнакомые частицы в виде трубок с закругленными концами и сетчатыми стенками.

Фуллерены удивительно похожи на футбольный мяч

Это были углеродные нанотрубки, диаметром всего около одного нанометра (то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса) и длиной несколько сотых миллиметра. Оказалось, что они бывают однослойными и многослойными, как бы вставленными одна в другую, состоят из нескольких миллионов атомов и обладают просто фантастическими свойствами.

Во-первых, поражает их прочность. Они раз в сто прочнее самой лучшей стали, но при этом гибкие и намного легче. На нити из нанотрубок можно подвесить автобус вместе со всеми пассажирами. Было также подсчитано, что трос из нанотрубок, опущенный на Землю из стратосферы с высоты 15 километров, не разорвется от собственного веса, что непременно случилось бы, будь этот трос сделан из любого иного материала. Считается, что нанотрубки – рекордсмены прочности и что прочнее материала создать просто невозможно.

Японский ученый Сумио Ииджима, открывший углеродные нанотрубки

Нанотрубки могут быть не только отличными проводниками электричества, но и полупроводниками, а значит, просто бесценными материалами в электронике.

Открытия в этой области далеко не завершены. Осенью 2010 года из Стокгольма пришла весть о том, что Нобелевская премия по физике присуждена двум выходцам из России – Константину Новоселову и Андрею Гейму, работающим в Англии в Манчестерском университете. Они получили графен – самый тонкий в природе материал. Это слой углерода толщиной всего лишь в один атом.

Теперь уже никто не сомневается, что значение графена в наноэлектронике невозможно переоценить. Он придет на смену нынешней кремниевой электронике. Из него можно сделать крохотные транзисторы, миниатюрные микросхемы, компьютеры – сверхбыстрые, легкие и экономичные, емкие аккумуляторы, удивительные средства связи. Конечно, сейчас все предвидеть невозможно, поскольку будущее у графена просто фантастическое.

Нанотрубки похожи на ажурные кружева