Наноматериалы: на грани фантастики

То далекое время, когда наши предки додумались использовать простые предметы для добычи пропитания, стало Большим взрывом в развитии технологий. Сперва люди использовали «готовые» инструменты вроде палок и камней. Затем они научились превращать их во что-то более пригодное к применению. Потом научились выплавлять бронзу, а еще чуть позже стало ясно, что и она не идеальна. Начали использовать железо… С тех пор человечество открыло неисчислимое количество различных материалов, обладающих самыми разнообразными свойствами. Сегодня материаловедение переживает второе рождение: ученые разрабатывают собственные материалы в соответствии с желаемыми характеристиками.

Нанотехнологии

Пожалуй, все хотя бы раз в неделю слышат это слово. У широкой публики оно уже давно ассоциируется с чем-то средним между передовой наукой, волшебством и шарлатанством, а ученые продолжают добавлять магическую приставку «нано» с целью получить солидный грант. Давайте разберемся, что же представляют собой нанотехнологии и что они могут нам предложить в ближайшем и отдаленном будущем.

 _{Иллюстрация размера в 1 нм, собранная из атомов меди инженерами IBM.}

Прежде всего, нанометр (нм) — это одна миллиардная часть метра. Несколько фактов, чтобы ощутить масштаб: щетина растет со скоростью 5 нм в секунду, диаметр двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нм, а толщина человеческого волоса — от 20 до 150 тысяч нм в зависимости от цвета. В то же время диаметр атома гелия — 0,1 нм. Таким образом, нанотехнологии подразумевают под собой создание и манипулирование многоатомными структурами, размеры которых хотя бы в одном измерении (длина, ширина или толщина) не превышают 100 нм.

Дело в том, что свойства вещества, состоящего из таких частиц, значительно отличаются от того же вещества в более привычном для нас (компактном) виде. С приближением к атомарному масштабу сильно возрастает удельная поверхность материалов (суммарная площадь поверхности, деленная на массу). Сильно возрастает роль квантово-механических эффектов. Зачастую именно они определяют новые удивительные и часто неожиданные свойства наноструктурированных материалов.

Для примера: в наноразмере существенно возрастает способность веществ вступать в химические реакции. В повседневной жизни алюминий — инертный металл, в фольге из которого можно спокойно запекать мясо в духовке. А вот наночастицы алюминия добавляют в качестве катализатора к твердому ракетному топливу, что сильно увеличивает его тепловыделение и эффективность.

Также значительно изменяются оптические свойства веществ. Например, ничем не примечательный в макромире полупроводник — селенид кадмия — в наномасштабе флуоресцирует всеми цветами радуги, причем цвет зависит лишь от диаметра частиц. Это свойство флуоресцентных наночастиц (так называемых квантовых точек) уже давно используется в лазерах и биологии, а также имеет хорошие шансы найти применение в производстве гибких цветных дисплеев и в медицинской диагностике.

Не стоит считать, что нанотехнологии — это что-то искусственное, придуманное человеком. На самом деле множество идей позаимствовано у природы. Например, недавно ученые из Калифорнийского технологического института под руководством профессора Грир сконструировали сверхпрочный материал, который состоит из «нанобалок» нитрида титана. Каким образом нужно соединить структурные элементы, ученые подсмотрели у морских губок. Образовавшаяся нанорешетка на 85% состоит из воздуха, но во много раз превосходит по прочности исходный материал. А с ним вы наверняка встречались: он уже давно используется как жаропрочное покрытие для стальных деталей, а также… для изготовления зубных протезов и окраски куполов православных церквей, так как в быту похож на золото.

Листья лотоса и многих других тропических растений практически не задерживают воду на своей поверхности. Наноматериалы, копирующие структуру поверхности листа, уже сейчас продаются в качестве супергидрофобного (водоотталкивающего) и суперолеофобного (маслоотталкивающего) покрытия.

Зная исходный принцип, можно разработать покрытие с совершенно противоположными свойствами — супергидрофильное. Такие материалы можно использовать для изготовления мембранных фильтров для глубокой очистки воды. В нашем организме их роль играют белки аквапорины, в большом количестве содержащиеся в почечных канальцах.

Производство наноматериалов

Естественно, какими бы чудесными ни были свойства наноматериалов, главным критерием их массового внедрения является дешевизна производства. Как правило, в лаборатории ученые имеют дело с небольшими образцами. Так, описанный выше наноструктурированный нитрид титана был получен в виде кубика с ребром 1 мм. Этого достаточно, чтобы измерить его характеристики, но согласитесь — говорить о промышленном производстве еще рано.

В настоящее время ученые используют два основных подхода для получения наноструктурированных веществ: разработка «снизу вверх» и «сверху вниз». Как можно догадаться, первый подразумевает сборку наноматериалов из отдельных атомов, а второй, наоборот, основан на дроблении более крупных агрегатов.

Оба подхода имеют свои недостатки. Если в случае разработки «снизу вверх» главной проблемой будет неупорядоченная организация получаемых частиц, то подход «сверху вниз» обеспечивает высокую точность, но очень трудозатратен. Поэтому в настоящее время внимание большого количества ученых направлено на изучение управляемой самоорганизации наночастиц. Особенно большие надежды связывают с разработкой принципов неравновесной самоорганизации. А это не что иное, как принцип устройства живых организмов. Нужно признать, что в создании наноструктур и наномеханизмов природа все еще далеко впереди нас.

Ниже перечислены некоторые последние достижения наноматериаловедения, которые, возможно, через несколько лет изменят наш мир до неузнаваемости.

Графен

Это вещество, за открытие которого была выдана Нобелевская премия по физике в 2010 году, является поистине чемпионом по количеству опубликованных о нем научных статей. И заслуженно: спектр уникальных свойств и применений графена поражает воображение. И это несмотря на то, что получить материал можно с помощью всего лишь куска графита и канцелярского скотча! Некоторые оптимисты уже сейчас считают, что XXI век будет веком графена. Что же в нем такого особенного?

В первую очередь, в отличие от всех предметов, окружающих нас, графен — двухмерный материал. По сути это плоскость, состоящая из атомов углерода, образующих шестиугольники, как в пчелиных сотах. Поэтому графен обладает самой высокой удельной поверхностью — он сам по себе лишь поверхность.

Как и его трехмерный прародитель (графит), графен — хороший проводник. При этом благодаря двухмерности его удельное сопротивление при комнатной температуре ниже, чем у серебра, а теплопроводность в 10 раз выше, чем у меди. Стоит ли упоминать, что транзисторы на основе графена намного быстрее кремниевых? И это все при том, что материал прозрачный и гибкий.

Графен обладает также уникальными механическими свойствами: он тверже и прочнее, чем алмаз, но при этом может быть растянут на четверть своей длины. Так, по словам нобелевских лауреатов 2010 года, графеновый гамак площадью в квадратный метр способен выдержать вес 4-килограммового кота и при этом сам будет весить меньше миллиграмма — как кошачий ус.

В довесок ко всем уникальным свойствам графена их можно еще и регулировать, например с помощью магнитного поля, различных подложек либо путем создания композитных материалов. А если проделать в нем нанометровые отверстия, то из графена можно делать эффективные фильтры для опреснения воды!

В отличие от многих других наноматериалов массовое производство графена относительно дешево и уже активно осваивается ведущими производителями электроники.

Топологические изоляторы

Это материалы, являющиеся диэлектриками внутри, но имеющие на поверхности атомы, в которых электроны могут находиться близко к зоне проводимости. Поэтому движение электронов в топологических изоляторах возможно лишь по поверхности. Как следствие, возникающее сопротивление минимально, и электрон может легко разгоняться практически до скорости света без обратного рассеяния и разогревания проводящего слоя.

Принципиальная возможность их существования была предсказана в 2007 году, и уже вскоре были получены материалы, обладающие нужными свойствами: селенид и теллурид висмута.

Благодаря своим свойствам топологические изоляторы могут в недалеком будущем стать заменой полупроводникам. Дополнительным их преимуществом над полупроводниками является малая чувствительность к примесям. К тому же по сути они являются одновременно и проводниками, и собственными изоляторами.

Еще одной примечательной особенностью таких материалов является то, что спин (магнитный момент) электронов в поверхностном слое квантово-механически связан с его импульсом. До сих пор на атомарном уровне физики могли манипулировать лишь электрическими (но не магнитными) полями. Создание же топологических изоляторов позволяет надеяться, что скоро этот технологический пробел будет ликвидирован и откроется дорога к принципиально новому классу устройств, основанных на «спинтронике» (по аналогии с электроникой). А это уже прямой путь к созданию квантовых компьютеров, способных производить вычисления, для которых современным суперкомпьютерам потребовалось бы астрономическое количество времени.

Мемристоры

Более 40 лет назад китайский физик Леон Чуа теоретически предсказал существование «недостающего» четвертого базового элемента электрической цепи, связывающего электрический заряд и магнитный поток. В дополнение к хорошо известным резисторам (связывающим ток и напряжение), конденсаторам (напряжение и заряд) и катушкам индуктивности (ток и магнитный поток) он описал свойства гипотетического элемента — мемристора.

В 2008 году группа ученых из Hewlett-Packard сообщила в журнале Nature о первом реальном устройстве такого типа. Оно состояло из нанопленки (50 нм) оксида титана, зажатой между титановым и платиновым электродами (каждый в 5 нм толщиной). Уникальным свойством прибора является его способность изменять собственное сопротивление и таким образом хранить информацию, а размеры (к 2010 году инженеры HP довели их до 3×3 нм) и скорость работы (1 ГГц) делают очевидным их огромный потенциал.

К концу 2013 года компания планирует наладить серийный выпуск первых устройств памяти на базе мемристоров, которые в скором времени призваны заменить «громоздкие» flash, SSD и т. д.

Что касается научной ценности мемристоров, то их открытие потенциально может совершить переворот в нейронауке. Дело в том, что собранные в достаточно несложную цепь устройства ведут себя подобно человеческим нейронам. Первые эксперименты уже показали, что такие цепи способны на «запоминание» и «забывание» информации, причем обучение происходит по тому же принципу, по которому работают клетки в нашем головном мозге. Ценность такого свойства для разработки искусственного интеллекта очевидна.

Метаматериалы

Создавать что-то новое — в человеческой природе. Если чего-то не существует самого по себе, то почему бы это не сделать. Метаматериалы — это полностью искусственные устройства, обладающие свойствами, которых в природе попросту нет. Они состоят из упорядоченных наноэлементов, например наноэлектрических цепей. Строгая организация усиливает свойства отдельных элементов и позволяет метаматериалам проявлять их в макромире.

В результате метаматериалы проявляют ряд уникальных электромагнитных, оптических, акустических, механических и других свойств. Так, первая 10-микрометровая двухмерная «шапка-невидимка» была создана именно с помощью метаматериала на основе наноколец золота и полиметилметакрилата (оргстекла). Наноэлементы «шапки» расположены таким образом, что свет, падающий на ее поверхность, огибает материал по контуру и выходит с противоположной стороны без искажения. Поэтому для наблюдателя и «шапка», и предмет в ней невидимы. Похожий принцип может быть применен для защиты зданий от землетрясений — путем обведения сейсмических колебаний вокруг объекта, находящегося под защитой.

Другое применение метаматериалов — это так называемые суперлинзы. Они состоят из искусственного материала, имеющего отрицательный коэффициент преломления. Суперлинзы позволяют фокусировать свет на участке меньше длины волны, открывая тем самым новые горизонты в оптической микроскопии: они позволят непосредственно наблюдать биологические макромолекулы (ДНК и белки) и создавать еще более миниатюрные компьютерные чипы. Акустические аналоги суперлинз в будущем улучшат качество УЗИ-диагностики.

Перечислять достижения нанотехнологий можно долго, так же как и фантазировать на тему нашего нанобудущего. Но нужно четко понимать, что нанотехнологии — это не волшебство и не панацея. Технологическая революция — это непрерывный процесс, от каменного века и до наших дней. Он происходит здесь и сейчас, творится руками движимых любопытством людей и для людей.

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. db@onliner.by