Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

• Название: Нанотехнологии. Правда и вымысел
• Автор: Виктор Балабанов
• Жанр: Прочая научная литература

Авторы книги знакомят читателей с относительно новым научно-практическим направлением знаний – нанонаукой – и уделяют большое внимание популяризаци и достижений нанотехнологий. В книге рассматриваются по большей части не какие-то фантастические проекты, а разработки, уже реально применяемые или находящиеся на этапе исследований. При чтении книги каждый сможет получить для себя некоторые неожиданные знания о взаимодействии наночастиц, имеющих размеры атомов и молекул, и сделать неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

В книге разрушаются многочисленные мифы и стереотипы, связанные с нанотехнологиями.

---

Становление и развитие нанонауки в России

Сегодня создание и применение нанотехнологий и наноматериалов во многом определяет темпы научнотехнического прогресса, а значит, и перспективы социально-экономического развития России.

Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации

На заседании Международной комиссии мер и весов 7 октября 1958 года было принято предложение известного отечественного метролога Григория Дмитриевича Бурдуна, который еще в 1956 году назвал миллиардную долю метра «нанометром». На этом же заседании было установлено, что в слове «нано» следует писать одну букву «н», как в греческом слове нанос – карлик, а не как в образовавшемся от него латинском слове nannus (океанология).

В 1960 году решением Генеральной конференции по мерам и весам была принята универсальная система единиц физических величин, получившая название Systeme internationale d’unites (Международная система единиц), или SI (СИ), которая и узаконила данные предложения.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский, занимаясь исследованиями аварий авиационной техники, в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия в 1969 году эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др.

Ученые установили, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторыми другими химическими элементами) коэффициент трения уменьшился на два порядка до значения ниже 0,001 (предела чувствительности измерительной установки) – можно считать, исчез совсем. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снизилась.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние.

Позднее в своей книге «Трение и мы» (1987) А. А. Силин пишет: «Экспериментально подтверждалось, что фундаментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10-7 см (1,0 нм. – Прим. автора), то есть порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения. Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации».

В 1973 году советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн более чем за десять лет до официального открытия команды Р. Смолли сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность.

Теоретическая возможность образования цилиндрических нанотрубок была предсказана в 1977 году советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании высказал Леонид Александрович Чернозатонский, что также значительно раньше их официального открытия.

Более того, в научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в начале 50-х годов прошлого столетия, но детально они изучены не были. Так, в 1952 году в «Журнале физической химии» была опубликована статья сотрудников Института физической химии РАН Леонида Викторовича Радушкевича и Всеволода Михайловича Лукьяновича «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте» [4] , в которой описаны нитевидные углеродные образования диаметром 50 нм, обнаруженные с использованием электронного микроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Углеродные трубчатые наноструктуры (увеличение в 20 000), полученные Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукьяновичем

Анализируя полученные результаты, авторы работы сделали следующие выводы: «При исследовании структуры сажи, полученной из окиси углерода на железных контактах, было обнаружено, что сажа состоит из частиц сложного строения. Большинство частиц имеет вытянутую червеобразную форму с характерными окончаниями, свидетельствующими о направленности роста. Частицы, выращенные в некоторых случаях на отдельных крупинках железа в атмосфере окиси углерода, имеют правильную нитевидную форму с плотными окончаниями. В первой стадии в результате химической реакции взаимодействия СО с железом образуются нитевидные зародыши. Во второй стадии за счет образования на ней кристаллов графита протекает поперечный рост частиц. Окончательно выросшие частицы представляют собой продукт роста и деформации первичных частиц. Обнаружены необычные формы сдвоенных частиц, переплетенных между собой. Образование этих агрегатов протекает по особому механизму, детали которого ждут своего объяснения».

В это же время руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходеев впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Первая отечественная нанотехнологическая установка в СССР, созданная под руководством Петра Николаевича Лускиновича, осуществляла направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. Она заработала в 1987–1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта».

Рассматривая наиболее весомые достижения российских ученых в области практической нанотехнологии, следует отметить награждение в 2000 году Нобелевской премией в области физики Жореса Ивановича Алферова и его американских коллег Герберта Кремера (Herbert Kromer) и Джека Килби (Jack St. Clair Kilby) за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Известная в настоящее время светодиодная техника как раз и базируется на так называемых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким направлениям. Наиболее крупные из них – «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро– и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверх-микрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК– и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.

Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук – Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал академик РАН Евгений Павлович Велихов, а его заместителем – академик РАН Ж. И. Алферов.

В 2008 году создана общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР). Президентом НОР на 2008–2009 годы избран академик РАН Юрий Дмитриевич Третьяков (МГУ).

Главная цель НОР – развитие творческой активности своих членов, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставит своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.