Развитие нанотехнологий и наноматериалов начинается с 1931 года, когда немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. Позже в 1959 году американский физик Ричард Фейнман (нобелевский лауреат по физике, 1965) впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации под названием «Там внизу — море места». Он заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа … Но, в принципе, физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Тогда его слова казались фантастикой, поскольку не существовало технологий, которые позволили бы оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (имеется в виду возможность познать отдельный атом, взять его и поставить на место). Фейнман даже назначил награду $ 1000 тому, кто практически докажет его правоту.
История развития нанотехнологии
В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел термин «нанотехнология», предложив описывать им механизмы размером менее одного микрона.
Немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне (1981 г.), Позже они получили за эту разработку Нобелевскую премию. Сканирующий атомно-силовой (АСМ) микроскоп еще больше расширил типы исследуемых материалов (1986 г.).
В 1985 году Роберт Керл, Харольд Крото, Ричард Смолли открыли новый класс соединений — фуллерены (Нобелевская премия, 1996 год).
В 1988 году независимо друг от друга французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) (в 2007г. присуждена Нобелевская премия по физике), после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи. Открытие ГМС стало основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных масштабах начала изготавливать спинтронных приборы — головки для считывания магнитной информации на основе ГМС размерами 10-100 нм.
ГМС, или, иначе, гигантское магнетосопротивление (англ. giant magnetoresistance сокр., GMR) — представляет собой эффект изменения электрического сопротивления образца под действием магнитного поля (преимущественно в гетероструктурах и сверхрешетках), отличающееся от магнетосопротивления масштабом эффекта (возможно изменение сопротивления на десятки процентов, в отличие от магнетосопротивления, когда изменение сопротивления не превышает единиц процентов). Его открытие сделало возможным разработку современных носителей информации для компьютеров — накопителей на жестком магнитном диске (HDD)
1991 год ознаменовался открытием углеродных нанотрубок японским исследователем Сумио Ииджимою.
В 1998 году впервые создан транзистор на основе нанотрубок Сизом Деккером (голландский физик). А в 2004 году он соединил углеродную нанотрубку с ДНК, впервые получив полноценный наномеханизм, открыв тем самым путь к развитию бионанотехнологии.
2004 год — открытие графена, за исследования его свойств А. К. Гейму и К. С. Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике. Известные фирмы IBM, Samsung финансируют научные проекты с целью разработки новых электронных устройств, смогли бы заменить кремниевые технологии.
Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов
Нанотехнологии (НТ) (греческое слово «nannos» означает «карлик») — это совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.
1 нанометр (нм) = 10-9 метра.
К нанотехнологиям относят технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Нанотехнологии используют: атомное сообщения молекул, локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне и др. Процессы нанотехнологий подлежат законам квантовой механики.
На сегодня основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.
Задача НТ:
- получения наноматериалов с заданной структурой и свойствами;
- применения наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств;
- контроль (исследования) структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.
Существует два основных подхода к нанопроизводства: сверху вниз и снизу вверх . Технология сверху вниз заключается в измельчении материала, имеющего большие размеры (массивный материал), до наноразмерных частиц. При подходе снизу вверх продукты нанопроизводства создаются путем выращивания (создания) их из атомного и молекулярного масштабов.
Производство на наноуровне известно как нанопроизводств — предусматривает масштабные мероприятия, создание надежного и экономически эффективного производства наноразмерных материалов, конструкций, устройств и систем. Оно предусматривает исследования, разработки и интеграции технологий сверху вниз и более сложную — снизу вверх или процессы самоорганизации.
Наноматериалы — это дисперсные или массивные материалы (структурные элементы — зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и имеющие качественно новые свойства, функциональные и эксплуатационные характеристики, которые проявляются вследствие наномасштабных размеров.
Все вещества в начальном состоянии или после определенного обработки (измельчения) имеют разную степень дисперсности, размер составляющих частиц можно не увидеть невооруженным глазом.
Объекты с размерами в пределах 1-100 нм принято считать нанообъектами , но такие ограничения являются весьма условными. При этом данные размеры могут касаться как всего образца (нанообъектом является весь образец), так и его структурных элементов (нанообъектом является его структура). Геометрические размеры некоторых веществ приведены в таблице.
Основные преимущества нанообъектов и наноматериалов состоит в том, что за малых размеров в них проявляются новые особые свойства, не характерные этим веществам в массивном состоянии.
Классификация вещества в зависимости от степени дисперсности
| состояние вещества | раздробленность вещества | Степень дисперсности, см -1 | Число атомов в частице, шт. |
| макроскопическое | грубодисперсная | 100 -102 | > 1018 |
| Средство наблюдения: невооруженный глаз | |||
| микроскопическое | тонкодисперсная | 102 -105 | > 109 |
| Средство наблюдения: оптический микроскоп | |||
| коллоидное | ультрадисперсных | 105 -107 | 109 -102 |
| Средство наблюдения: оптический ультрамикроскоп, электронный и сканирующий зондовый микроскоп | |||
| Молекулярное, атомное и ионное | Молекулярная, атомная и ионная | > 107 | <102 |
| Средство наблюдения: микроскоп с высоким разрешением (<0,1 нм) и сканирующий микроскоп |
Свойства наноматериалов определяются их структурой, для которой характерно обилие границ раздела (границы зерен и тройных стыков — линии соприкосновения трех зерен). Изучение структуры является одной из важнейших задач наноструктурного материаловедения. Основной элемент структуры — зерно или кристалит.
Классификация по размеру. По размерной признаком нанообъекты разделяют на три типа: нульмерные/ квазинульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D).
Нанообъекты нульмерные/ квазинульмерные (0D) — это наночастицы (кластеры, коллоиды, нанокристаллы и фуллерены), содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов, сгруппированных в связи или ансамбли в форме клетки. В этом случае частица имеет нанометровые размеры во всех трех направлениях.
Наночастицы — это нанообъекты, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины (до 100 нм). Как правило, наночастицы имеют сферическую форму и, если они имеют ярко выраженное упорядоченное размещение атомов (или ионов), то их называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью энергетических уровней часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами».
Сравнение геометрических размеров материалов
| пример | геометрический размер | |
| наномир | атом водорода | 0,18 нм |
| Сечение молекулы ДНК | 2 нм | |
| Длина видимого света | 400-700 нм | |
| микромир | пыль | 800 нм |
| Эритроцит (диаметр) | 7,2 мкм | |
| макромир | Толщина компакт-диска | 1,2 мм |
| насекомые | 4-10 мм |
Нанообъекты одномерные (1D) — углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода, то есть цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере на порядок превышает два других.
Нанообъекты двумерные (2D) — покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности массивного материала (подложке). В этом случае только одно измерение — толщина должна нанометровые размеры, два других являются макроскопическими.
Особые свойства наноматериалов
В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера, но при переходе к наномасштабу все меняется, включая цвет материала, точку плавления и химические свойства. В нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными. Твердость нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерных размеров увеличивается в несколько раз, а прочность на растяжение возрастает в 5 раз. Температура плавления кластеров (более 1000 атомов) золота становится такой же как и для объемного золота. Добавление наноструктурированного алюминия в ракетное топливо радикально меняет его скорость сгорания. Теплопроводность моторного масла существенно возрастает при добавлении многослойных углеродных нанотрубок.
Так, в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, то есть доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от тех, что находятся в объеме и связанных с соседними атомами.
Экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях для нанопорошков, свидетельствуют, что в большинстве случаев чувствительность к возгоранию от электрической искры, сталкивания или механического трения и интенсивность горения возрастают при уменьшении размера частиц в пылевом облаке (и соответственно при увеличении удельной поверхности).
Если металлические частицы имеют размеры порядка мкм — нм, то их минимальная энергия воспламенения (МЭЗ) значительно уменьшается и составляет менее 1 мДж (это нижняя граница чувствительности аппарата, который обычно используется для измерения МЭЗ). Была изучена зависимость размеров частиц Al, полиэтилена и оптического отбеливателя от МЭЗ. Результаты по огнеопасности Al приведены в таблице. Согласно полученным данным, максимальное давление взрыва Pmax возрастает при переходе в нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.
| Размер частиц | Pmax , бар | MКЗ, г / 3 | МЭЗ, мДж |
|
|
|
|
Размерная зависимость поверхностной энергии нанокристаллов приводит соответствующую зависимость температуры плавления, которая для нанокристаллов становится меньше, чем для макрокристаллов. В целом в нанокристаллах наблюдается заметное изменение тепловых свойств, что связано с изменением характера тепловых колебаний атомов. В ферромагнитных наночастицах при уменьшении размера ниже некоторого критического значения для системы становится энергетически невыгодным состояние разбиение на домены. В результате наночастицы превращаются из полидоменных в однодоменных, при этом получая особые магнитные свойства.
Области науки, связанные с нанотехнологиями
Междисциплинарность — это характеристика отрасли знаний или научной проблемы, где успешный результат может быть достигнут только при объединении усилий отдельных наук. Интеграция знаний отдельных научных отраслей приводит к синергизму — получение качественно новых знаний, которые, благодаря своим уникальным свойствам, получили применение во многих областях знаний.
Спинтроника — направление отрасль современной электроники, основанная на использовании спиновых эффектов и квантовых свойств спина электронов, характеризуются двумя квантовыми состояниями (спин вверх и спин вниз). Изменение ориентации спинов происходит за счет воздействия высокой плотности тока, проходящего через сверхтонкие ферромагнитные структуры (сэндвичи). Ориентация спинов остается неизменной, если источник поляризованного тока выключается, поэтому спинтронные устройства очень широко используются как головки считывания, устройства памяти на явлении ГМО и туннельном МО, генераторы переменного напряжения, контролируемые по току, транзисторы на эффекте поля и тому подобное.
Нанобиология — отрасль биологии, посвященная изучению структурных, биологических, биофизических процессов в природных биологических структурах или их нанобиологичных аналогах, законов, которым подчинены биологические системы. Создание на этой основе действующих наномоделей биологических структур сегодня составляют основу нанобиологии. Достижения науки нанобиологии составляет основу развития таких направлений нанонауки, как биоорганическая нанохимия, нанофармацевтика, наносенсорика, наномедицина и тому подобное.
Молекулярная электроника исследует электронные наносистемы, содержащие, как составные части, единичные молекулы или молекулярные комплексы, а также технологии изготовления таких наносистем, основанные на использовании процессов самосборки, включая процессы манипулирования как одиночными молекулами, так и молекулярными комплексами.
Наносенсорика — отрасль науки о сенсорных наносистемах, действие которых основано на селективном восприятии сигналов различной природы: биологических, химических, температурных и т. п., и их преобразовании в электрические (бионаносенсоры, которые могут не только отслеживать состояние организма, но и автоматически выполнять некоторые необходимые действия).
Нанооптика — область науки, посвященная оптическим наносистемам, выполняющих функции информационного управления, осуществляя обработку, хранение и передачу информации в виде оптических сигналов. Перспективным разделом нанооптика является нанофотоника, ее элементную базу составляют фотонные кристаллы, эффективно используются в устройствах обработки, хранения и передачи информации.
Наномеханика (наноробототехника) — область техники, занимающейся созданием нанороботов, способных выполнять определенные медицинские операции в теле пациента (нанокатетеры, которые позволяют эффективно осуществлять диагностику и терапию в кровеносных сосудах и кишечном тракте, а также дозировочные и распределительные наноустройства, которые обеспечивают доставку лекарств, нужных пациентам). Кроме того, малые размеры микрокомпонентов делают их идеальными для манипулирования биологическими образцами на микроскопическом уровне.
Области применения нанотехнологии
НТ приобретают все большее значение и могут использоваться во всех промышленных отраслях, в частности в электронике, солнечной промышленности, энергетике, строительстве, авто-, авиастроении, экологии, медицине и др.
Электроника. Развитие технологического процесса при изготовлении транзисторов в компьютерной технике (микро-процессоры) постепенно уменьшается с 90 до 14 нм, что не является пределом (планируется к 2019 году его уменьшить до 10-8 нм). Таким образом, на одном сантиметре кремния будет размещаться миллиард транзисторов.
Благодаря развитию материаловедения и микроэлектроники происходит уменьшение элементарной ячейки запоминающих устройств. На сегодня перспективными становятся материалы на основе сверхрешеток, диамагнетиков, ферромагнетиков, в которых реализуется эффект гигантского магнитного сопротивления, перпендикулярного составления и анизотропии.
Среди полупроводниковых технологий отметим лазеры, работающие при низкой температуре, имеют малый порог генерации (до 15 мкА), которые получат широкое использование, например, в квантовой криптографии.
Сочетание полученных новейших результатов из сферы материаловедения и электроники позволяет создавать устройства с уникальными гибкими, влаго- и ударопрочными свойствами, имеют высокий коэффициент полезного действия и длительный срок службы. Применение новых материалов позволяет создавать высокоэффективное фотоприемное оборудования для видимого и инфракрасного излучения, использование которого повысит эффективность мониторинга линий электропередач, трубопроводов, охранных систем.
Энергетика. Вопросы энергообеспечения всегда актуальны, они предусматривают две основные задачи — создание приборов с экономным потреблением электроэнергии и изготовление зарядных устройств на основе новых технологий с улучшенными показателями. Осветительная техника модернизируется, лампы накаливания заменяются на яркие светодиоды и матрицы на их основе.
Значительное внимание уделяется альтернативным видам энергии. Так, разработаны солнечные элементы, поглощающие энергию в инфракрасной части спектра. Это происходит благодаря технологии, которая использует специальный производственный процесс нанесения металлических наноантенн (крошечных квадратных спиралек) на пластмассовую подложку. Такая конструкция позволяет получать до 80% энергии солнечного света, тогда как существующие солнечные батареи могут использовать лишь 20%. Солнце излучает много тепловой энергии, часть из которой поглощается землей и другими объектами и излучается в течение многих часов после захода солнца; наноантенны «улавливают» это тепловое излучение с более высокой эффективностью, чем обычные солнечные батареи.
Создание аккумуляторов на основе нановолокон кремния, содержащих ионы лития вместо углерода, приведет к увеличению емкости зарядных устройств и расширения диапазона использования. Ионная проводимость нанокомпозитов твердого электролита увеличивается на несколько порядков, за счет чего на его основе можно изготавливать миниатюрные гибкие батареи.
Медицина. Наноструктуризация приводит к уменьшению размера таблетки и повышение содержания лечебного вещества в крови. Это очень важно, потому что, наночастицы в будущем будут одним из средств доставки лекарств в пораженный участок (нанороботы). Наночастицы серебра благодаря своим бактерицидным свойствам используются при лечении различных ран с целью обеззараживания. Типичный размер наночастиц серебра 5-50 нм, их добавляют к моющим средствам, зубным пастам, влажным салфеткам, наносят на поверхности кондиционеров, покрывают столовые приборы, дверные ручки (в местах, где велика опасность распространения инфекций) и даже клавиатуры и «мышки» для компьютеров. Наночастицы золота вместе с антителами могут снизить вредный эффект от облучения при лечении опухолей.
Современное оборудование позволяет «увидеть жизнь» живых клеток, выполнять манипуляции с молекулами и дает возможность выращивать или клонировать части органов. Сочетание биологических и медицинских знаний вместе с достижениями электроники позволяют, используя нанотехнологии и наноматериалы, создавать микроэлектронные устройства (чипы) для контроля здоровья человека или животного.