Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Другое уникальное свойство наноструктур — квантовые эффекты и (в связи с этим) необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой, по крайней мере в одном направлении, ограничен и сравним с длиной электронной волны. В данных направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это значит, что соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, вызывая дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения.

Так, с одной стороны, есть трубки с хорошей электронной проводимостью (выше, чем проводимость у признанных электрических проводников, например меди и серебра), а с другой стороны, большинство трубок — это полупроводники с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно создать различные электронные приборы. В частности, появляется реальная перспектива разработки запоминающих устройств с плотностью записи до 1014 бит/см2.

Одно из самых замечательных свойств — связь между геометрической структурой нанотрубки и ее электронными характеристиками, которую можно предсказать на основе квантово-химических расчетов. Налицо возможность создания новых электронных приборов с рекордно малыми размерами. Еще одно достоинство нанотрубок связано с холодной эмиссией электронов, которая возникает при приложе-

108

— Некоторые свойства наноструктур —

нии электрического поля вдоль оси трубки. Напряженность поля в окрестности верхней части в сотни раз превышает напряженность, существующую в объеме, что приводит к аномально высоким значениям тока эмиссии при сравнительно низком внешнем напряжении и позволяет использовать нанотрубные макроскопические системы в качестве холодных эмиссионных катодов.

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах может сопровождаться интерференцией. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что наличие заряда у электрона дает возможность управления им с помощью локального электростатического или электромагнитного поля, влияя на распространение электронных волн.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются.

По данным Nanotechweb, группой ученых из лабораторий IBM (США) и университета Твенте (Нидерланды) при исследовании структуры дефектов нанотрубок обнаружено, что углеродные нанотрубки могут излучать инфракрасное излучение. «Обнаруженная электролюминесценция локализована в области дефектов в регулярной структуре наноматериала, — заявил доктор Фаэдон Авурис (Phaedon Avouris). — Электрический ток возбуждает пары электрон-дырка в местах дефектов, что и приводит к излучению».

Доктор Авурис отмечает, что процесс излучения на несколько порядков превышает по интенсивности аналогичные процессы в балк-полупроводниках. Это, по его мнению, объясняется более сильным взаимодействием электронов и дырок, вызванным «одномерным» характером структуры нанотрубок.

Открытие униполярной люминесценции позволит определять микродефекты наноматериалов, в том числе и нанот-

109

НАНОТЕХНОЛОГИИ -

рубок. Для более наглядного подтверждения эффекта фотолюминесценции доктор Авурис и его коллеги создали полевой транзистор на основе нанотрубки. Вход и выход устройства состоят из слоев палладия толщиной 20 нм и слоя титана толщиной 0,5 нм. Транзистор находится на подложке из полиметилметакрилата (РММА), что создает диэлектрическую среду для работы транзистора.

«Механизм свечения нанотрубок в инфракрасном диапазоне схож с аналогичными явлениями в светоизлучающих макроскопических ££/>светодиодах, — отмечает Авурис. — Однако в нашем случае фотоэмиссия более интенсивна вследствие специфической морфологии нанотрубок. Есть еще одно важное отличие от макросветодиодов: нанотрубке не нужен допинг другими материалами для формирования фотосистемы. Также нанотрубки излучают свет по всей своей длине, что довольно необычно».

Итак, наночастицы обладают комплексом самых уникальных свойств. Многие из них еще не полностью изучены, а другие, возможно, и не открыты. Эти свойства открывают перед человечеством возможности принципиального изменения современного состояния науки и техники и создают предпосылки к новой — третьей — технической революции, которая уже началась.

Прикладная

нанотехнология

Термин «нанотехнология» обязан своим рождением научно-популярной литературе, его следует, прежде всего, воспринимать как... завлекательный ярлык для привлечения инвестиций и общественного интереса.

Дональд ЭЙГЛЕР (Donald Eigler), научный сотрудник исследовательского центра IBM,

США

Как ни парадоксально это звучит, но человечество с давних времен использовало наноматериалы. Именно наличием наночастиц теперь можно объяснить самые невероятные свойства материалов, изготавливаемых несколько веков назад и порой недоступных даже современной науке.

Так, например, прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц золота в стеклянную матрицу. Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, содержала сферические металлические наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства.

В настоящее время наиболее значимые достижения практической, или прикладной, нанотехнологии (рассматривает задачи и способы практического применения нанотехнологии для нужд человечества) находятся в сферах изготовления различных наноматериалов, электроники и медицины.

Все современные достижения практической нанотехнологии подразделяются натри группы: инкрементные, эволюционные и радикальные. Рассмотрим их более подробно.

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Инкрементная нанотехнология

Инкрементная нанотехнология подразумевает промышленное применение наноструктур, а также специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями, в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов.

Наибольшее развитие инкрементные нанотехнологии получили в области создания композиционных конструкционных материалов с различными свойствами, защитных самоочищающихся покрытий, препаратов автохимии и некоторых других веществ.

В Институте прикладной нанотехнологии (г. Зеленоград) разработана технология модифицирования наночастиц монтмориллонита (бентонита) в натриевой форме в Ag- форму. В межслоевое пространство бентонита вводится серебро в ионной форме. При контакте с продуктами жизнедеятельности человека, содержащими натрий, калий и пр., происходит ионный обмен ионов указанных элементов на ионы серебра, которые длительное время сохраняют бактерицидное действие. Такими наночастицами обрабатывают поверхности силикона, ПВХ и ткани, используемые в производстве экзопротезов. На Международной выставке по изобретениям в Женеве в апреле 2006 года данная разработка удостоена Золотой медали. На основе этой технологии были созданы составы для нанесения бактерицидных покрытий на элементы интерьера автомобиля (детали из пластика, тканей, стекол, ковриков и т.д.). В 2006 году на Сеульском салоне изобретений SIIFразработка была удостоена диплома Всемирной организации интеллектуальной собственности

{WIPO).

Продолжаются испытания по использованию наночастиц монтмориллонита с серебром в ионной форме в различных красках и лаках как на водной, так и масляной основе. Предварительные результаты очень обнадеживают, так как при продолжительном испытании окрашенных элементов не обнаруживается рост микробных колоний. Это дает

112

— Прикладная нанотехнология —

возможность создавать стерильные помещения на орбитальных станциях, в больницах, школах, местах массового скопления людей, на птицефабриках и т.п.

Обрастание днищ судов — острая проблема экологической и экономической значимости. Так, например, для судна с «грязным» корпусом требуется на 40% больше топлива, чтобы двигаться с той же скоростью, что и судна с чистым корпусом, а это значительно увеличивает выбросы СО2 и других парниковых газов.

Существующие способы предотвращения биологического обрастания судов основаны на использовании биоцидов, убивающих биологические организмы. К ним относятся медь, мышьяк и токсичные органические соединения. Однако биоциды могут создавать проблемы для теплообменников опреснения воды, электростанций и океанографических датчиков.

На основе разработанной технологии получения бактерицидного состава в Институте прикладной нанотехнологии ведутся работы по созданию корабельных красок против обрастания биомассой днищ судов. Покрытия на основе этих красок проявляют бактерицидную активность, не позволяющую колониям микроорганизмов развиваться на такой поверхности.

Развернуты исследования, направленные на предотвращение обрастания судовых корпусов, в рамках проекта ЕС АМВЮ. Ученые из корпорации BASF сотрудничают в этом проекте с 30 деловыми и научными партнерами из 14 стран. Старт пятилетнего проекта начался в марте 2005 года. Проект включает в себя общий объем бюджета в размере 17,9 млн евро, из которых 11,9 млн будут предоставлены Европейским союзом. Цель проекта АМВЮ — использование наноструктур, значительно уменьшающих сцепление микроорганизмов, водорослей, моллюсков с поверхностью днищ судов в морской воде без использования биоцидов.

Бытовое применение нанотехнологии началось с разра-

ботки Cerax Nanowax немецкой компании Nanogate Technologies

GmbH — продукта на основе химической нанотехнологии, 113

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

создающего «умную» поверхность с многофункциональными свойствами. Это ультратонкое покрытие работает намного дольше, чем традиционные средства, которые, как правило, очень быстро исчезают. Например, содержащийся в нем воск способствует хорошему скольжению поверхности лыжи. «Умный» Cerax Nanowax застывает при низкой температуре, сливается с поверхностью лыжи и скользит по кристалликам снега. В зависимости от вида зимнего спорта, погодных условий и уровней профессиональной подготовки спортсмена выпускаются различные модификации данного продукта.

Впоследнее время наночастицы достаточно часто входят

вразличные ремонтно-эксплуатационные составы автохимии в качестве добавок к топливу и смазочным материалам. Нанотехнологии также широко применяются для нанесения износостойких композиционных наночастиц на рабочие поверхности при изготовлении специального металлообрабатывающего и стоматологического инструмента, защитных антикоррозионных и бактерицидных покрытий и в ряде других случаев. Например, сотрудники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова совместно с университетским филиалом «Угреша» и в сотрудничестве с рядом зарубежных фирм выполняют научно-исследовательские и производственные работы по созданию и нанесению наночастиц различных металлов на любую, включая мелкодисперсную (типа песка), подложку. Применяемая для этих целей плазменная технология совмещает процессы образования наночастиц и их напыления на поверхность и в несколько раз сокращает продолжительность процесса нанесения, а также уменьшает стоимость конечного продукта по сравнению с традиционными методами. Кроме того, характерные размеры наночастиц имеют достаточно малый разброс (не более ±30%) относительно среднего значения (в интервале от 20 до 50 нм), которое определяется технологическими параметрами работы установки.

Вмире постоянно растет интерес к полимерным наночастицам и нанокомпозитам. Ежегодно проводятся междуна-

114

— Прикладная нанотехнология —

родные выставки, симпозиумы, конгрессы и конференции, посвященные вопросам наноструктурных полимерных материалов. Так, если в 2001 году в Чикаго (США) и Монреале (Канада) состоялись две первые международные конференции по полимерным нанокомпозитам, а в 2002 году различным аспектам этой проблемы было посвящено более 10 форумов, то уже в 2003 году мировая научная общественность провела более 20 международных встреч по данной тематике.

В США, Японии, Франции, Канаде и Индии разрабатываются специальные программы по наночастицам и нанокомпозитам различного назначения на основе полимеров. Многие программы ориентированы на разработку полимерных материалов со специфическими свойствами для нужд медицины, военных целей, транспорта и т.д.

В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления — магнитное и электростатическое взаимодействие, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов) или различных квазичастиц. В соответствии с подходом К. Э. Дрекслера рассматриваются молекулярные и даже биомолекулярные нанотехнологии, однако они сводятся в основном к чисто механическим сборочным конструкциям.

Несомненно, использование многих других явлений и качеств, присущих наночастицам, в том числе квантовомеханических свойств, должно значительно расширить эти возможности. Например, в настоящее время научно-техниче- ской общественностью обсуждаются вопросы применения фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Углеродные фулдерены уже применяются в качестве тонеров (красителей) для копировальных машин, позволяя существенно повысить качество получаемых копий, снизить расход красителя и общую себестоимость выполнения копировальных работ.

115

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Планируется также использовать фуллерены в качестве основы для производства электрических аккумуляторных батарей. Такие элементы питания с принципом действия на основе реакции присоединения водорода во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым батареям, но обладают, в отличие от них, способностью аккумулировать примерно в пять раз больше водорода. В то же время подобные батареи характеризуются более высокой энергоемкостью, небольшой массой, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее современными в этом отношении аккумуляторами на основе лития, не говоря уже о кадмии. Эти аккумуляторы могут найти широкое применение в элементах питания переносных радиостанций, сотовых телефонов, персональных компьютеров (особенно ноутбуков), слуховых аппаратов и многих других портативных устройств.

Создание одежды из материалов на основе нановолокон — также одна из областей, где нанотехнология уже находит практическое применение. Такая одежда не пропускает ультрафиолетовые лучи, обладает антибактериальными и антигрибковыми свойствами, практически не промокает под дождем и почти не пачкается.

В табл. 4 представлены наиболее известные зарубежные фирмы, работающие в области создания наноматериалов и нанотехнологий.

Таблица4. Некоторые наиболееизвестныезарубежныефирмы— производители наноструктур и товаров на их основе

— Прикладная нанотехнология —

К инкрементной группе следует также отнести различные зондовые нанотехнологий, например зондовую литографию и наноиндентирование.

Среди методов создания наноструктур зондовые методы нанолитографии наиболее доступны. С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомно-силового микроскопа, эти приборы из аналитических установок превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования поверхностей на нанометровом уровне. Основные факторы данных технологических процессов определяют локальные электрические поля (сравнимые с внутримолекулярными и атомными), супервысокие плотности токов и вызываемое ими электродинамическое воздействие, сверхплотные локальные потоки теплоты (вызванные протекающими токами), а также локальные механические деформации.