Что такое нанотехнологии (из ответов доктора химических наук Евгения Алексеевича Гудилина на вопросы читателей "Ленты.ру")

Регистрация | Забыли свой пароль?
01.08.2015 Нанотехнологии – это серьезный прорыв, если есть желание и возможности действительно прорваться в будущее. Если понимать нанотехнологии как измельчение кирпичей и пропуск к финансированию, то тогда это - тупик.

Плохо давать определения, которых нет в учебниках, но, тем не менее, иногда можно попытаться это осторожно сделать. На самом деле, "нано" - лишь короткий, хотя и страшно важный, отрезок "пятого измерения" (шкалы масштабов), его принципиальная важность для науки и для нашего общего будущего заключается в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуются интереснейшие, практически важные химические и физические взаимодействия. В действительности любые объекты и материалы можно и нужно изучать на разных пространственных масштабах, особенности структуры и свойств материалов на которых (структурная иерархия) лишь в неразрывной совокупности предопределяют его конечные свойства, важные для фундаментальных исследований и, конечно, практики. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень "микро" (характерный размер - микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен поликристаллического материала. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб.

Что касается "нано", IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) установил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм, сто миллиардных метра), то мы говорим о наносистеме - это и есть уровень наномасштабов. Стоит все же уточнить еще, что "нанодиапазон" - это действительно диапазон, участок пространственной шкалы от 1 нм до 100 нм, в котором реализуются основные взаимодействия в наносистемах и который ограничивает сверху и снизу геометрические размеры нанообъектов по одному или нескольким измерениям. При этом принято говорить, что вещество находится в "наносостоянии", если проявляются свойства, отличные от химических, физических или биологических свойств макросостояния (объемного состояния) вещества. Так, с точки зрения физики, это проявление квантовых эффектов, с точки зрения химии – наличие "оборванных связей" на поверхности, высокая реакционная способность, использование дальнодействующих и достаточно слабых связей – водородной, ван-дерваальсовой и прочих – для формирования супрамолекулярных ансамблей. Объекты, все размеры которых меньше 1 нм, относятся к области деятельности того или иного классического раздела химии, физики и других. Объекты, все размеры которых больше 100 нм, относятся к микро- и макрообъектам и рассматриваются, в лучшем случае, как дисперсные системы, не проявляющие особенности наносостояния, их уже более века успешно изучает коллоидная химия. Таким образом, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и "размерность" (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, "интеграция" свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий - новое качество, как правило, получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано.

"Нанотехнологии" – совокупность химических, физических или искусственных биологических процессов (это все же технологии! Know how, "знаю как"...), позволяющих контролируемо оперировать с нанообъектами, формирующими те или иные материалы, устройства или технические системы. Особенностью нанотехнологий является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и темплатного синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства. Наноматериалы (НМ) – продукты нанотехнологий, материалы, практически важные (функциональные) свойства которых определяются химическим составом, структурой, размером, размерностью и упорядочением составляющих их фрагментов, размер которых принадлежит нанодиапазону. Достаточно трудно ожидать, что на наноуровне возможна искусственная манипуляция отдельными нанообъектами с целью "ручной" сборки материала. Это пока что нецелесообразно (медленно и требует совершения большого объема работы). Поэтому естественным способом получения наноматералов могут являться самосборка и самоорганизация.

Понятие "нанотехнологии" не является "однородным и бесформенным" (или универсальным). Нанотехнологии имеют различный смысл, значимость и наукоемкость, в зависимости от их практического приложения к той или иной области человеческой деятельности. Иными словами, нанотехнологии применимы в различной степени практически во всех значимых областях промышленности и повседневной жизни и прочих, однако методы и целесообразность их применения, а также способы использования их результатов могут кардинально различаться. Именно поэтому возникают различные разночтения и пересуды.

Если мы хотим немедленной денежной отдачи, то давайте делать и продавать "наноцемент", закрыв глаза на определения. Если хотим через пару–тройку лет оказаться-таки в лидерах, стоит работать в области "наукоемких нанотехнологий". Что предпочтет формирующаяся "наноиндустрия" - посмотрим. Жаль, если это будет только первый вариант.

Кроме того, нельзя не сказать, что нанотехнологии не возникли внезапно и на пустом месте. Просто вместе с развитием классических наук и методов исследований пришло их время. Они являются междисциплинарной областью исследований (при этом под междисциплинарностью следует понимать комплексную структуру знаний, более широкий научный кругозор, достигнутый за счет усложнения знаний, но не в ущерб профессиональной четкости и фундаментальной глубине), основанной на достижениях химии, физики, биологии, механики и других классических наук, а также связанным с закономерной эволюцией этих и других наук прорывом в разработке методов синтеза и анализа (в том числе визуализации и моделирования) веществ и материалов. В этом плане нанотехнологии – это потенциальное (зачастую существенное) улучшение многих практически важных материалов и устройств, но не всеобъемлющий переворот наших знаний, как иногда полагают. Именно поэтому к нанотехнологиям следует подходить без фобий, а именно – как к новой междисциплинарной, наукоемкой и ресурсоемкой области исследований и инноваций (в смысле научной, практической подготовки, баз данных и самого современного оборудования). Именно поэтому нанотехнологии требуют новые высококвалифицированные, специально подготовленные кадры и особую инфраструктуру исследований и сертификации их результатов.

...Сегодня стоимость приставки "нано" может составлять буквально многие миллиарды рублей, а вот приставка "микро", верой и правдой служившая многие годы безопасности страны и антитеррору, уже не модна, прямо скажем - не в почете и даже опасна с финансовой точки зрения. Ну, предположим, определим мы границу "нано" с правильной академической точки зрения, как это сделано выше, дав волюнтаристски одно из десятков возможных определений, и будем посылать все деньги на "нано", презрев "микро". Плохо, поскольку тогда ни подводные лодки с прочными титановыми корпусами с "ультрамелкозернистой" микроструктурой, ни военные самолеты с упрочненными композитными материалами, ни "нанокерамика", которая на самом деле почти что "микро", ни тонкие пленки и гетероструктуры микроэлектроники не имеют шанса свободно и с достоинством войти в элитный клуб наноматериалов – поди докажи, что ты не "микро" (не верблюд)! (здесь же есть небольшая шкала размеров). А если говорить об иерархии структуры – тогда все нормально, и никакого ажиотажа вокруг "нано" не надо устраивать.

Из ответов доктора химических наук Евгения Алексеевича Гудилина на вопросы читателей "Ленты.ру"

Возврат к списку публикаций


Ваше мнение о статье

Интернет-ресурсы

Популярные тэги ntsr.info

Нано в играх

Нанотехнологическое общество России

email: orgnanosociety@mail.ru