Объекты исследования нанотехнологий

Нанотехнология – новое направление науки и технологии, бурно развивающееся в последнее десятилетие. Сущность нанотехнологии в способности работать на молекулярном уровне, атом за атомом создавать большие структуры с новой молекулярной организацией. Дело в том, что практически все вещества в этом мире состоят из одних и тех же атомов. И лишь упорядоченность атомов определяет, какое вещество мы в итоге получим. Задавшись как-то вопросом – почему бы не научиться самим менять эти атомы в произвольном порядке, ученые создали нанотехнологии.

По определению, данному пионером этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология – это «ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой». Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью.

В этом коренное отличие нанотехнологий от современных «объёмных» bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами.

Нано – одна миллиардная доля, а в переводе с греческого – «гном».

То есть один нанометр – это одна миллиардная доля метра. Атом меньше, чем наночастица. Его размер в среднем – одна десятая нанометра. Один нанометр – размер небольшой молекулы. Вирус, например, – это уже порядка 100 нанометров. Бактерии в 10 раз больше вирусов, а красные кровяные тельца – в 10 раз больше бактерий. Диаметр волоса в 10 раз больше этих телец. На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода. Для сравнения – диаметр «популярного нанообъекта» фуллерена меньше метра во столько же раз, во сколько метр меньше диаметра орбиты Луны.

Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. Ученые говорят, что воздействуя на вещества на молекулярном уровне, можно творить настоящие чудеса – создавать совсем новые материалы, усовершенствуя старые. По прогнозам большинства экспертов именно развитие нанотехнологий определит облик XXI столетия.

Влияние нанотехнологии на жизнь, здоровье и безопасность человечества в наступившем столетии можно сравнить с общим влиянием антибиотиков, печатных схем и полимеров на жизнь общества в XX веке. Нанотехнологии – настоящий прорыв в науке, да и в жизни вообще. Защита озонового слоя, производство любой ткани, любого вида топлива, физическое бессмертие организма – вот лишь краткий список того, что может привнести в нашу жизнь эта область науки.

2.  Нанотехнологии – первые шаги

История возникновения нанотехнологии как области научных знаний имеет глубокие корни и длительный этап становления и развития. Греческий философ Демокрит ещё в 400 г. до нашей эры задумался о самых малых частицах, из которых состоит вещество. Именно он ввёл понятие «атом», что означает «нераскалываемый».

Словом «нанотехнологии» сегодня называют самые разные области производственной деятельности. Но все их объединяет одно – ультрамалые

(не более сотни нанометров) линейные размеры используемых объектов.

В этом смысле человечество применяло нанотехнологии с давних времен. Например, при приготовлении сыра использовались белки-ферменты из сычуга жвачных животных. А средневековые соборные витражи обязаны своими яркими красками ультрадисперсным (десятки нанометров) металлическим частицам, которые образовывались при плавке стекла с добавлением различных соединений металлов.

В 1905 году великий Эйнштейн высказал предположение, что размер молекулы сахара составляет 1 нанометр.

В 1931 году немецкие физики создали электронный микроскоп, который наконец-то позволил увидеть человеку нанообъекты.

В 1959 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию под названием «Внизу полным-полно места», в которой впервые была рассмотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных элементов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно, «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке. Он произнёс на рождественском собрании Американского физического общества: «Насколько я знаю, ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов». Из теории, разработанной Фейнманом, следует, что с помощью нанотехнологий можно создать практически всё что угодно.

Термин «нанотехнология» (nanotechnology) был введён в 1974 году

Норио Танигучи, который определил его как «технология производства, позволяющая достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры, порядка 1 нм». Однако тогда до реализации этой технологии было ещё далеко – Танигучи опередил события на 20 лет. Такая возможность стала реальной лишь на рубеже нового столетия, когда появились мощные зондовые микроскопы – уникальные «пальцы», позволяющие «пощупать» отдельные молекулы и атомы. В отличие от прежних электронных приборов прошлого века, которые позволяли лишь наблюдать самые крупные объекты наномира, новейшие зондовые микроскопы дают потенциальную возможность «видеть» отдельные атомы и строить из них новые молекулы с новыми свойствами.

Практическая нанотехнология родилась, по сути, в 1981 году с изобретением сканирующего туннельного микроскопа. Сам сканирующий туннельный микроскоп и очень похожий на него сканирующий проектор электронно-лучевой литографии стали прообразами машин будущей нанотехнологии, предвиденной Фейнманом. С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно перемещать отдельные атомы и молекулярные фрагменты в заранее определённые места.

Реальные результаты появились, когда другой японец, Сумио Иидзима – профессор университета Мэйдзё – в 1991 году первым в мире создал нанотрубки из углерода, диаметр которых составляет несколько тысячных долей диаметра человеческого волоса, а длина – порядка 100 нанометров. Вот эти углеродные нанотрубки из сверхтонкого углеродистого материала фуллерена и стали первым реальным наноматериалом. Тоненькая, еле видимая нить, свитая из этих углеродных трубок, не уступает по прочности стальному канату толщиной в руку. Твёрдость деталей, выполненных из композитов, собранных из углеродных трубок, сравнима только с алмазом.

Открытие Сумио Иидзимы дало мощный толчок исследованиям в области нанотехнологий во всем мире. А созданные зондовые микроскопы позволили реально перейти к практическому воплощению этих идей, а также к более глубокому изучению совершенно новых, необычных свойств «наномира», который стал открывать людям свои тайны. Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструирования из атомов с помощью механической наносборки новых материалов с заданными характеристиками.

В их числе – сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как это происходит, например, в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы – наномашины.

На рубеже XX и XXI вв. нанотехнологии получили активное развитие и распространение во всех сферах человеческой деятельности от военно-промышленного комплекса до производства потребительских товаров и продуктов питания. Нанотехнологии придут на смену существующим технологиям подобно электричеству, заменившему пар и электронной почте, заменившей телеграф.

3.  Наноматериалы и нанообъекты

Существуют различные определения понятий «нанотехнология» и «нанообъект».

По определению Совета по научной политике и охране окружающей среды США (декабрь 2004 г. ) нанотехнологии – это:

1. Исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от 1 до 100 нанометров;

2. Создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями;

3. Манипулирование веществом на атомной шкале дистанций.

По определению отечественных учёных, нанотехнологии – это технологии направленного получения и использования веществ и материалов в диапазоне размеров до 100 нанометров (постановление главного санитарного врача РФ от 31. 10. 2007).

Сегодня, по номенклатуре IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии), наночастицы – это объекты, размеры которых по крайней мере по одному измерению не превышают 100 нм. Согласно рекомендации Седьмой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г. ), выделяют следующие типы наноматериалов:

1. Нанопористые структуры;

2. Наночастицы;

3. Нанотрубки и нановолокна;

4. Наноструктурированные поверхности и плёнки;

5. Нанокристаллы и нанокластеры.

Нанообъект – это физический объект исследований и разработок, размеры которого принято измерять в нанометрах. Нанотехнология имеет дело как с отдельными нанообъектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне.

К наноматериалам относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются содержащимися в них нанообъектами.

Наночастица – это нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины. Как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму. Если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов или ионов, то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами».

Квазиодномерные нанообъекты – это наностержни и нанопроволоки. Здесь один характерный размер объекта по крайней мере на порядок превышает два других – физики называют такие объекты «квантовые провода». Другие типы нанообъектов – нанодиски, нанокораллы и т. п.

Особенностью нанообъектов является наличие размерных эффектов, т. е. зависимость их свойств от размера и появление новых свойств. Наночастицы и наноструктурированные объекты обладают особыми, часто уникальными свойствами, отличающимися от свойств макрообъектов. Это позволяет создавать принципиально новые материалы и устройства. Уменьшение частиц до нанометровых размеров приводит к проявлению в них так называемых «квантовых размерных эффектов». Одной из главных причин изменения физических и химических свойств малых частиц по мере уменьшения их размеров является рост относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т. д. ), нежели атомы внутри объёмной фазы. С энергетической точки зрения, уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию роли поверхностной энергии. Например, температура плавления частиц золота размером 5-10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см3. Известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, то воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.

Группы наночастиц могут обладать новыми качествами из-за их взаимодействия друг с другом. Тип материала наночастиц и их концентрация сильно влияют на теплофизические и магнитные свойства. Так, при малых концентрациях значительно возрастают магнитные и парамагнитные свойства, и наночастицы вещества проявляют уникальное свойство – «самосборку» кристаллической структуры.

Исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук – часто изыскания в области материаловедения затрагивают области биотехнологии, физики твердого тела, электроники. Объектами исследований нанотехнологий могут быть фуллерены, нанотрубки, наночастицы металлов, аморфные неорганические наноструктуры, неорганические и органические композиционные материалы, молекулярные сита, супрамолекулярные ансамбли и устройства, тонкие плёнки и поверхностные слои, мицеллярные системы и микроэмульсии, жидкие кристаллы, аэрозоли, золи, гели, ультрадисперсные порошки и др. , а также липосомы, биомембраны и другие нанообъекты биологического происхождения.

Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода (другие аллотропные формы – алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода . Их сначала предсказали теоретически, а потом открыли в природе. Найдены эти уникальные вещества были в обычной саже, тысячелетиями получаемой при сгорании любых углеродсодержащих веществ – древесины, графита, природного газа и т. п. По виду молекула фуллерена С60 похожа на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. Внутри этой углеродной молекулы имеется полость, в которую, благодаря капиллярным свойствам, можно ввести различные атомы и молекулы других веществ, что даёт, например, возможность их безопасной транспортировки.

По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены их молекулы, содержащие различное число атомов углерода – от 36 до 540

Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графитовых плоскостей (графенов) и заканчивающиеся обычно полусферической «головкой». Главная особенность этих молекул – это их каркасная форма – они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки

Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60. Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. В настоящее время наиболее распространённым методом получения нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, несмотря на то, что состоят из таких же атомов углерода. Это объясняется тем, что в графите атомы углерода находятся в «листах». А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Именно поэтому углеродные нанотрубки такие прочные.

Учёные предсказывают, что нанотрубки смогут проводить электрический ток огромных значений практически без выделения тепла в пространство. Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился.

Уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров. Углеродные трубки найдут широкое применение в компьютерной индустрии – с помощью них реализуют эмиссионные мониторы, разрешающая способность которых будет весьма впечатляющей (масштаб пикселя будет порядка одного микрона, что значительно повысит качество изображения).

Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике – их можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем у стали, а прочность в десятки раз больше. Поэтому, чтобы сделать полимерные материалы более прочными, не увеличивая их веса, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки Добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!

Британским учёным Дэвиду Бритцу из Оксфордского университета и Андрею Хлобыстову из Ноттингемского университета удалось провести реакцию синтеза полимерной цепочки внутри углеродной нанотрубки.

Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок обладает большой каталитической активностью. Они считают, что при сворачивании «графитового листа» из атомов углерода в трубочку концентрация электронов на её внутренней поверхности становится меньше. Это и объясняет способность внутренней поверхности нанотрубок ослаблять, например, связь между атомами кислорода и углерода в молекуле СО, становясь катализатором окисления СО до СО2.

Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок . Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию прямого синтеза этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода), получаемого из природного газа, угля и даже биомассы.

Нановолокна и наноплёнки.

Учёные из университета Манчестера при содействии германского института Макса Планка создали новую стабильную наноструктуру – плёнку толщиной в один атом. Новый вид материала получил название графен (graphene) . Он представляет собой двумерную структуру из атомов углерода, расположенную в виде бензольных колец.

Эта самая тонкая наноплёнка из всех существующих на Земле открывает революционные перспективы в медицине и компьютерной технике. Ожидается, что в ближайшее время графен будет способен сменить кремний, применяющийся сейчас в компьютерных микрочипах.

Графен также можно использовать, как детектор молекул диоксида азота (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул.

Углеродные нановолокна в последнее время всё шире применяются в качестве катализаторов, как электродный материал, а также как замечательный адсорбент. Их используют для очистки жидкостей и газов от примесей и добавляют к полимерным материалам, чтобы улучшить их свойства. Процесс получения всех этих наноструктур довольно прост и к тому же позволяет утилизировать отходы производства – различные углеводородные газы, которые становятся прекрасным сырьём для производства водорода.

Самоподдерживающиеся наноплёнки – чудо мембранной технологии. Изготовить их нелегко, однако будучи сделанными, эти объекты обнаруживают удивительное поведение, обусловленное сочетанием макроскопической поверхности с наноскопической толщиной. Японские учёные изготовили ультратонкую плёнку, едва видимую невооруженным взглядом, но столь эластичную, что её можно протянуть через отверстие микропипетки в 30 тысяч раз меньшее, чем ширина плёнки .

Несмотря на тонкость почти до невидимости, эта плёнка может удерживать жидкую среду массой в 70 тысяч раз больше, чем она сама и выдерживать значительные деформации. Она также устойчива к различным внешним средам и механическим воздействиям. Эта почти несовместимая комбинация прочности и тонкости обусловлена гибридным составом плёнки – она состоит из органической полимерной сетки (которая обеспечивает её пластичность и деформируемость), пронизанной диоксидом циркония (придающим ей прочность и стабильность).

Наноплёнками, содержащими биологически активные вещества, можно покрывать поверхности имплантантов, вживляемых в человеческое тело, чтобы улучшить их приживаемость. Если ввести имплантант, например, в сердечный клапан, то может произойти отторжение или развиться побочный эффект. А если покрыть его наноплёнкой, то организм воспримет имплантант как родной орган. Также в мире ведутся разработки плёнок, содержащих инсулин. С их помощью больные диабетом смогут периодически получать дозы лекарства.

Дендримеры – это древовидные полимеры – длинные молекулы, состоящие из повторяющихся одинаковых элементов. Они способны доставлять прицепленные к ним лекарства прямо в клетки, например, раковые. Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, во многих странах сейчас ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т. п. Термин «дендримеры» появился раньше, чем термин «нанотехнология», и поначалу они между собой не ассоциировались. Однако в последнее время дендримеры всё чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических и наномедицинских применений.

Наночастицы.

Отечественный концерн «Наноиндустрия» разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций – в транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.

Другая новинка – самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 тысяч км к нему не будут приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.

Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов.

Разработан наноматериал на основе селена, способный абсорбировать ртуть, которая может высвобождаться из энергосберегающих флуоресцентных ламп. Новый материал в течение 24 часов поглощает более 99% паров ртути, содержащихся в стандартной флуоресцентной лампе. Демонстрация возможностей нового материала показала, что для поглощения всей ртути из одной, разбитой лампы требуется менее 10 мг «наноселена».

С развитием нанотехнологий возрос интерес к получению алмазных частиц нанометрового размера, и возникла идея существования алмазоидов – мельчайших кирпичиков, из которых состоит кристалл макроскопического алмаза, полностью повторяющих его тетраэдрическую структуру. Алмазоиды могут иметь разную пространственную структуру, но всем им присущи такие же свойства, как у природного алмаза – температура плавления выше 1800°C, плотность 3500 кг/м3. Поэтому любой объект, изготовленный из алмазоидов, будет иметь гораздо большую жёсткость, чем подобный ему объект из стали, более высокую температуру плавления и будет гораздо легче аналогов из других материалов. Благодаря характеристикам, близким к алмазу, алмазоид имеет широкий спектр применения в различных областях жизнедеятельности человека. Это прежде всего микро- и наноэлетроника, медицина, машиностроение, металлообработка, двигателестроение, авиастроение, транспорт. Наноалмаз и алмазоидные плёнки имеют широкие перспективы применения в различных электронных устройствах – компьютерах, MEMS и NEMS-устройствах, полевых транзисторах, электронно-лучевых и оптических устройствах.

Одним из основных современных применений наноалмазов является полировка электронных и оптических материалов для электроники, радиотехники, оптики, медицины, машиностроения, ювелирной промышленности. Составы на основе наноалмазов позволяют получить совершенную зеркальную поверхность твёрдых тел любой геометрической формы.

Применение наноалмазов существенно улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных масел, абразивных инструментов, полимерных композитов, резин и каучуков, систем магнитной записи. Так, введение наноалмазов в полимеры, резины и пластмассы увеличивает их прочность и износостойкость. «Алмазные» шинные резины, устойчивые к проколам и перепадам температур, уже сегодня прекрасно работают и в условиях Крайнего Севера, и в жарких пустынях.

Наноалмазы применяются в смазках, маслах и охлаждающих жидкостях. Использование наноалмазов в маслах увеличивает ресурс работы моторов.

Алмазоид является первым претендентом в списке материалов, из которых в перспективе могут быть изготовлены медицинские наноинструменты и нанороботы. Поскольку их деятельность будет осуществляться в основном внутри тела, необходимо, чтобы их поверхность была полностью биосовместима с тканями и клетками организма.

Наностержни.

Наностержни золота отличаются от традиционных сферических наночастиц золота тем, что они могут поглощать инфракрасное излучение. Это означает, что они, находясь в организме, теоретически могут быть активированы инфракрасным лазером без повреждения окружающих клеток, которые инфракрасное излучение не поглощают.

Нанокомпозиты.

Композиционными материалами или композитами называют сплошные материалы, состоящие из двух и более компонентов. Свойства композита зависят от свойств компонентов, из которых он состоит, их соотношения и связей между ними. При этом композит часто обладает свойствами, которые отсутствуют у составляющих его компонентов. Так, наличие многочисленных границ раздела между компонентами как правило делает композит гораздо более прочным, чем исходные компоненты. Нанокомпозит – это композиционный материал, одним из компонентов которого являются нанообъекты (наночастицы, нанотрубки и т. п. ). При этом процент нанодобавок часто очень невелик (не более 5%), т. к. их эффективность во многих случаях зависит от поверхности соприкосновения компонентов, а известно, что отношение поверхности к объёму у нанообъектов огромно.

Одними из перспективных нанокомпозитов могут стать нанокомпозиты на полимерной основе с наполнителем из наночастиц глины – алюмосиликатов. Полагают, что нанокомпозиты с глиняными пластинками, изготовленные на основе известных термопластиков полиамида и полипропилена, будут обладать такой прочностью и термостойкостью, что вполне смогут заменить металлы при производстве, например, самолётов. Другое полезное свойство, которым обладают полимерные нанокомпозиты с глиняными пластинками – уменьшение диффузии газов через плёнки, изготовленные из этих нанокомпозитов. Поэтому еда, завёрнутая в такие полимерные плёнки, будет меньше портиться при хранении.

На сегодняшний день перспективными материалами для наноэлектроники являются синтетические проводящие полимеры. Это открывает путь к новой электронике XXI века, основанной на органических материалах.

Уже сегодня разработано более 20 способов получения наноматериалов. Это распыление, конденсация, лазерное облучение, СВЧ-обработка, химические реакции в различных средах и др.

4.  Перспективы развития нанотехнологий и областей применения материалов, полученных с их использованием

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологиям и ростом инвестиций в них во всём мире. И это вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение.

Можно считать, что резкий рост нанотехнологических исследований начался 10 лет назад, когда в США стали готовить государственную программу National Nanotechnology Initiative («Национальная нанотехнологическая инициатива»), одобренную конгрессом США в 2000 году. С тех пор средства, выделяемые правительством США на развитие нанотехнологий, постоянно росли.

Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологий. В Японии с 1999 года действует национальная программа работ по нанотехнологиям. В Китае пятилетний план 2001–2005 включал выделение 300 млн. долларов на исследования и разработку нанотехнологий, что позволило этой стране выйти на мировой уровень разработок. В Европейском Союзе программа развития нанотехнологий включает множество проектов, направленных на установление лидирующих позиций на ряде направлений, начиная с разработки наноантенн и наноустройств и заканчивая разработкой нанороботов, способных восстанавливать больные человеческие органы. В 2007 году на тематическое направление «Нанонауки, наноматериалы и новые технологии» в ЕС было выделено три с половиной миллиарда евро.

Темпы развития нанотехнологий исключительно высоки. В 2005 году объём «нанотеха» составлял 0,3 процента от мирового ВВП. В 2008 году уже 2 процента. В ближайшие десятилетия человечество ждут революционные преобразования в электронике, медицине, строительной индустрии, энергетике и т. д.

В структуре мировых инвестиций в развитие и исследование нанотехнологий основными участниками (80% средств) являются США, Япония, страны ЕС. Бывшие республики СССР, Австралия, Канада,

Китай, Южная Корея, Израиль, Сингапур, Бразилия, Тайвань составляют остальные 20%

По прогнозам, в течение следующих 10 лет на развитие нанотехнологий в мире будет потрачено 3 триллиона долларов США.

В 2007 году объём рынка товаров, изготовленных с применением нанотехнологий, составил около 700 млрд. долларов. По прогнозам, к 2014 году объём рынка наноиндустрии может увеличиться до 3 триллионов долларов, и эти товары составят около 20% от всех товаров, имеющихся на рынке. При этом основными областями их применения будут производство композиционных материалов с уникальными свойствами и функциями, электроника (наносхемы), здравоохранение (продление жизни и улучшение качества здоровья), сельское хозяйство (защита растений от болезней и повышение урожайности культур), наноструктурный катализ в нефтехимии и т. д. .

Россия активно включается в мировую гонку нанотехнологий. До 2011 года в развитие нанотехнологий планируется инвестировать около 8 млрд. долларов США. Для этого была создана Российская корпорация нанотехнологий («Роснанотех»), которая до конца 2008 года планирует вложить в нанотехнологические проекты около 15 млрд. руб. К середине апреля 2008 года на рассмотрении в корпорации «Роснанотех» находились 330 предложений из 44 российских городов. По данным корпорации, 35% заявок поступило из Москвы, 14% – из Санкт-Петербурга, 11% – из Королёва, 7% – из Новосибирска, 3% – из Воронежа. Распределение этих предложений по отраслям.

Российскими учёными уже сделан большой вклад в развитие нанотехнологий. Разработаны нанофильтры для очистки жидких радиоактивных отходов и нанокраски для защиты денег и ценных бумаг от подделок, создан углепластик – сверхпрочный материал для самолётостроения, способный выдерживать удары молнии. Уральскими учёными создана сверхпрочная и сверхлёгкая наноброня. Скоро появится быстродействующая память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Очень скоро так называемые биологические нанороботы будут передвигаться по кровеносной системе человека и очищать её от отложений холестерина, а организм в целом – от микробов и зарождающихся раковых клеток.

Остановимся подробнее на том, какие перспективы ожидаются в различных областях жизнедеятельности человека с развитием нанотехнологий.

В промышленности.

Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами. Роботы будут собирать предметы потребления непосредственно из атомов и молекул. Планируется создание нанороботов размером всего 1–2 микрон, оснащённых бортовыми механокомпьютерами и источниками энергии, которые будут полностью автономны и смогут выполнять разнообразные функции, вплоть до самокопирования. Создание наномоторов на основе АТФ (универсального аккумулятора и переносчика энергии во всех биологических системах) позволит приводить нанороботов в движение.

Качество многих привычных материалов будет повышено за счёт использования наночастиц и атомарной обработки. Нанотехнологии позволят создавать более лёгкие, тонкие и прочные композитные (смешанные, сложносоставные) материалы. На основе алмазоидов появятся сверхпрочные, сверхлёгкие и негорючие материалы, которые будут использоваться в аэрокосмической и автомобильной промышленности, самоочищающиеся ткани, а также материал, защищающий человека от вредного радиоизлучения – ведущие производители мобильных телефонов уже планируют производить из него корпуса для аппаратов нового поколения.

Помимо улучшения свойств привычных промышленных материалов, развитие нанохимии ведёт к широкому распространению так называемых «умных материалов», активно реагирующих на изменения окружающей среды и изменяющих свои свойства в зависимости от обстоятельств.

В освоении космоса.

Освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его наномашинами. Огромная армия наномашин подготовит космическое пространство для заселения его человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит космические станции из «подручных материалов» – метеоритов, астероидов, солнечного ветра. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов освоения космоса.

Чтобы отправлять грузы в космос более дешёвым способом, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) предложили создать космический лифт, который представляет собой трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещённой посреди Тихого океана. Идея космического подъёмника была предложена основоположником современной космонавтики К. Э.  Циолковским ещё в 1895 году, но тогда в такую возможность трудно было поверить. А сегодня – это реальный проект, над которым работают в NASA. До сих пор никто не мог предложить материал такой лёгкости и прочности, чтобы из него можно было бы сделать «космический» трос. До недавнего времени самым прочным материалом являлась сталь. Но изготовить из стали трос длиной в несколько тысяч километров не представляется возможным, так как расчёты говорят о том, что стальной трос необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью уже на высоте в 50 км. Однако с развитием нанотехнологий появилась реальная возможность изготовить трос с нужными характеристиками на основе волокон из сверхпрочных и сверхлёгких углеродных нанотрубок. Пока никому не удалось сделать даже метровый кабель из нанотрубок, но технологии производства нанотрубок совершенствуются ежедневно, так что подобный кабель вполне может быть сделан уже через несколько лет. Цена запуска груза с помощью лифта по предварительным оценкам может снизиться с десятков тысяч долларов до $10 за килограмм. Учёные полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности. С помощью этого лифта на самом верху можно будет построить стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астероидам.

В медицине.

Медицина изменится неузнаваемо. Во-первых, наночастицы могут использоваться для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с метками-идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, контролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями.

Будут созданы молекулярные роботы-врачи, которые будут «жить» внутри человека, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. За счёт внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также осуществляющих перестройку и улучшение тканей организма, станет достижимым бессмертие людей.

В сельском хозяйстве.

Нанотехнологии произведут революцию в сельском хозяйстве. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными по своей функциональности комплексами из молекулярных роботов позволит воспроизводить те же химические процессы, которые происходят в живом организме, более коротким и эффективным путём. С этой целью они будут использовать воду и воздух, где есть главные необходимые элементы – углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний. Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжёлом физическом труде. А его производительности хватит, чтобы решить продовольственную проблему.

В экологии.

Вредное антропогенное влияние на окружающую среду будет полностью устранено – во-первых, за счёт насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырьё, а во-вторых, за счёт перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожить последствия старых загрязнений – нанотехника восстановит озоновый слой, очистит почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры.

Неослабевающий постоянный шум – серьёзная проблема для жителей городов. Однако нанотехнологии способны справиться и с этой напастью современной жизни. Учёные создали материал, меняющий направление звуковых волн. По задумке исследователей, этот материал может быть применён при строительстве зданий для экранирования шумов.

В природе не существует материалов, которые могли бы перенаправлять звуковую волну без искажений. Однако исследователи из политехнического института в Валенсии (Испания) под руководством Хосе Санчес-Дезы разработали технологию их создания с использованием перемежающихся слоёв двух материалов. Эти материалы будут содержать группы звуковых кристаллов – композиций из крошечных алюминиевых штырьков, которые позволяют волнам одной длины проходить беспрепятственно, а волны другой длины блокируют.

Всем известно, как важна для здоровья чистая вода. ООН признала её нехватку проблемой планетарного масштаба, которая резко обострится в ближайшие годы. С помощью нанотехнологий будут созданы новые, более совершенные устройства для фильтрации, очистки и опреснения воды – эти разработки позволят сохранить на планете миллионы человеческих жизней.

Нанотехнологии сделают солнечные батареи дешёвыми и лёгкими, так что ими можно будет покрывать стены зданий – это хорошее подспорье в борьбе с энергетическим кризисом. Не выпускать тепло из дома поможет аэрогель – прочный, лёгкий и пропускающий свет материал из наночастиц. А самоочищающиеся стёкла сэкономят силы при уборке.

В кибернетике.

Произойдёт переход от ныне существующих структур к объёмным микросхемам, размеры активных элементов которых уменьшатся до размеров молекул. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

В автомобилестроении.

Уже созданы и продолжают совершенствоваться искусственные самоочищающиеся покрытия. Совсем скоро появятся, например, постоянно чистые колёсные диски.

Наноструктуры позволят в ближайшем будущем эффективно превращать свет в электрический ток. Уже сегодня желающие могут заказать специальную крышу для автомобиля «Мерседес-Бенц» Е-класса, покрытую слоем кремниевых фотоэлементов. Эта панель вырабатывает 30 Вт – такой мощности хватает, чтобы запитать вентилятор, снижающий температуру воздуха в салоне на 10 градусов.

Создаётся электрогенерирующая краска. Её поры в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса – они позволяют получить на блестящей с виду поверхности всего в пару квадратных сантиметров во много раз большую эффективную площадь.

«На подходе» эмали, устойчивые к гвоздю в руках хулигана. А ещё автомобили вот-вот смогут менять цвет по команде водителя.

Ещё одна область применения – шины. Наночастицы увеличивают гибкость и уменьшают износ резины.

5.  Заключение

Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, вследствие чего изменится экономика и будут затронуты все стороны быта, работы, социальных отношений. Использование инновационных материалов XXI века позволит воплощать в реальность самые немыслимые проекты. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. Когда учёные смогут ещё точнее управлять химическими и физическими свойствами наночастиц, миру откроются самые невероятные чудеса, которые придут в каждый дом!