Нанотехнологии. Азбука для всех.

Приставка «нано», означающая одну миллиардную часть целого, а вместе с ней и термины «нанометр», «наночастицы», «наноструктуры», «наноматериалы» и «нанотехнологии» распространились в научной литературе сравнительно недавно. Тем не менее, многие из давно используемых человечеством материалов являются именно «нанообъектами». Одним из самых древних примеров таких систем являются цветные стекла, окрашенные наночастицами металлов, технология получения которых была известна еще в Древнем Египте. Эта технология дожила до наших дней, войдя в основу окраски кремлевских звезд. Мало кто знает, что рубиновое стекло в буквальном смысле является золотым, поскольку представляет собой наночастицы золота, “растворенные” в высококачественном стекле. Широкую гамму цветов – от фиолетового до желтого – можно наблюдать и в «Кассиевом пурпуре», представляющем собой наночастицы золота, распределенные равномерно в геле оловянной кислоты, и названном так по имени гамбургского стекловара Андреаса Кассия (XVII век).

В уникальном музее художественной керамики, размещенном в небольшом итальянском городе Фаенца, посетители могут любоваться экспонатами, украшенными цветной глазурью, технология которой была разработана гончарами Умбрии еще в XV веке и использовала отражающую способность ультрадисперсных металлических частиц для придания керамике необычного блеска. Как тут не вспомнить поэтические строки О. Хайяма

«Я к гончару наведался вчера
Его искусство – давняя игра»

Во многих широко известных процессах (например, в фотографии и в катализе) традиционно реализуются нанодисперсные состояния веществ, хотя в некоторых случаях их роль до сих пор остается неясной. При любых обстоятельствах, прежде всего, было бы целесообразно определиться с содержанием понятия «нанотехнологии», впервые появившегося в литературе в 1974 г. с легкой руки Н. Танигучи (Япония). В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм.

Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г) выделяют следующие типы наноматериалов:
– нанопористые структуры;
– наночастицы;
– нанотрубки и нановолокна;
– нанодисперсии (коллоиды);
– наноструктурированные поверхности и пленки;
– нанокристаллы и нанокластеры.

Последние представляют собой частицы упорядоченного строения размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов. Собственно наночастицы диаметром от 5 до 100 нм состоят из 103-108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо больше атомов и иметь один или даже два линейных размера, превышающих пороговое значение, но их свойства остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм. В зависимости от того, какую преимущественную анизотропию имеют структурные элементы наноструктур, последние также подразделяют на одно-, двух- и трехмерные (нульмерные).

Следует отметить, что многие свойства материалов (в том числе магнитные, оптические, электрические) являются следствием коллективных взаимодействий в твердом теле и не сохраняются при переходе от объемного к наноматериалу. В этом случае свойства веществ не могут быть объяснены только увеличением их удельной поверхности и ростом числа поверхностных атомов без учета квантоворазмерных эффектов. Примерами могут служить такие явления, как образование квантовых точек в случае, когда размеры частиц полупроводника соизмеримы с дебройлевской длиной волны электрона, изменение ширины запрещенной зоны за счет локализации экситонов, переход ферромагнитных материалов в суперпарамагнитное состояние. Однако иногда размерный эффект проявляется даже в таких свойствах веществ, как их каталитическая активность или реакционная способность: с уменьшением размера частиц может наблюдаться как резкое увеличение, так и уменьшение удельной активности, т.е. активности, отнесенной к одному атому металла. Как правило, этот эффект особенно ярко выражен у кластеров.

Важнейшей стадией нанотехнологий является химический синтез нанопродуктов. В связи с этим уместно напомнить, что Нобелевский лауреат Р. Хоффман (кстати, сам по образованию физик, проработавший некоторое время в Московском Университете) в ответ на вопрос, что такое нанотехнология, остроумно заметил, что рад тому, что для химии люди нашли новое название. Теперь у них появился стимул изучать то, что они не желали делать в школе. В этом смысле химики занимаются нанотехнологиями уже на протяжении двух с половиной столетий. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединяет талант химика-синтетика с мастерством инженера, и именно этот союз позволяет создавать самые замысловатые наноструктуры. Не менее важным с точки зрения перспективы является и то обстоятельство, что переход от традиционных микротехнологий к нанотехнологиям открывает путь к созданию нанопродуктов и наносистем, обеспечивающих существенную экономию сырья и энергии и открывающих путь к более эффективному решению экологических проблем.

Академик Ю. Д.Третьяков

Из книги: Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008