Наука и техника: прошлое и настоящее

Что могут нанотехнологии

Окончание. См. № 2/08

К.Ю.БОГДАНОВ,
лицей № 1586, г. Москва

kbogdanov1@yandex.ru

Что могут нанотехнологии

Нанотехнологии вокруг нас

Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не «микро», а давно «нано», т.к. производимые сегодня транзисторы, основа всех электронных схем, имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов (см. рисунок ниже).

Внутреннее устройство современной электронной схемы. Увеличено в 50 000 раз. Размер по горизонтали 4 мкм. Транзисторы образованы кристаллами кремния (голубые столбики). Зелёный слой – оксид кремния [Sci. American, 2004, Apr, p. 76]

Однако сейчас уже пытаются сделать транзисторов ещё на порядок меньше по размеру, заменяя их наноструктурами. Построенные наносхемы уже продемонстрировали способность хранить информацию и выполнять логические операции, т.е. заменять транзисторы.

Наночастицы серебра убивают бактерии

Физические свойства многих веществ зависят от размеров образца. Наночастицы вещества часто обладают свойствами, которых вообще нет у образцов этих веществ, имеющих обычные размеры. Известно, например, что золото и серебро не участвуют в большинстве химических реакций. Однако наночастицы серебра или золота не только становятся очень хорошими катализаторами химических реакций (ускоряют их протекание), но и непосредственно участвуют в них. Например, обычные образцы серебра не взаимодействуют с соляной кислотой. Наоборот, наночастицы серебра реагируют с соляной кислотой, и эта реакция протекает по следующей схеме: 2Ag + 2HCl 2AgCl + H₂.

Высокой реактивной способностью наночастиц серебра объясняют их сильное бактерицидное действие – способность убивать болезнетворные бактерии. Ионы серебра блокируют работу одного из ферментов бактерий, отвечающих за их «дыхание». Чтобы использовать бактерицидное свойство наночастиц серебра, их стали включать в традиционные материалы, например, ткани для постельного белья. Слоем наночастиц серебра стали покрывать столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и мышки для компьютеров, которые, как было установлено, служат рассадниками болезнетворных бактерий. Наночастицы стали использовать при создании новых покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла) и косметики. Покрытия с наночастицами серебра могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на 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 местах общего пользования.

Нанофазные материалы – более прочные

При достаточно большой нагрузке все материалы ломаются, и в месте излома соседние слои атомов навсегда отходят друг от друга. Однако прочность многих материалов зависит вовсе не от силы, которую надо приложить, чтобы отделить два соседних слоя атомов. Материал обычно рвётся по внутренним трещинам, так что прочность зависит от того, сколько в нём микротрещин и каких, как трещины распространяются по этому материалу. В тех местах, где есть трещина, внешняя сила прикладывается не ко всему слою, а к цепочке атомов, находящейся в вершине трещины, поэтому раздвинуть слои очень легко.

Схематическое изображение трещины между двумя слоями атомов, расширяющейся при действии сил (стрелки)

Распространению трещин часто мешает микроструктура твёрдого тела. Если тело состоит из микрокристаллов, как, например, металлы, то трещина, расколов надвое один из них, может наткнуться на внешнюю поверхность соседнего микрокристалла и остановиться. Таким образом, чем меньше размер частиц, из которых «слеплен» материал, тем труднее по нему распространяются трещины.

Материалы, составленные из наночастиц, называют нанофазными. Примером нанофазного материала может быть нанофазная медь. Чтобы изготовить нанофазную медь, лист обычной меди нагревают до высокой температуры, при которой с его поверхности начинают испаряться атомы меди. С конвективным потоком эти атомы движутся к поверхности холодной трубки, на которой они осаждаются, образуя конгломераты наночастиц. Плотный слой наночастиц меди на поверхности холодной трубки и является нанофазной медью.

Изготовление нанофазной меди

Материалы, «слепленные» из наночастиц, оказываются гораздо более прочными, чем обычные. Например, прочность образца нанофазной меди может в 10 раз превышать прочность обычной меди, состоящей, как правило, из кристаллов размером около 50 мкм.

При малых деформациях сдвига частицы нанофазных материалов способны чуть-чуть сдвигаться друг относительно друга. Поэтому мелкоячеистая структура нанофазных материалов является более прочной не только при растягивающих деформациях, но и при изгибе, когда соседние слои образца по-разному изменяют свою длину.

Наночастицы увеличивают мощность батареек

Чем больше площадь электродов батареек и аккумуляторов, тем больший ток они могут давать. Чтобы увеличить площадь электродов, их поверхность можно покрыть проводящими нанокристаллами. В результате активная площадь обмена ионами 1 г пористого углерода, из которого сделан анод, после покрытия нанокристаллами площадь увеличивается с 3 до 100 м². Аккумуляторы, пластины которых покрыты наночастицами, способны набирать 80% своей ёмкости всего за минуту зарядки.

Магнитные наностержни в жёстких дисках компьютеров

Поверхность типичного магнитного диска состоит из микроскопических секторов с ориентированными в магнитном поле микрочастицами. Когда головка накопителя проходит над поверхностью сектора, она может менять ориентацию частиц в секторе на противоположную; в процессе чтения происходит анализ суммарного магнитного поля всех частиц сектора. Для увеличения ёмкости накопителя приходится уменьшать размер самих частиц, однако следствием такого уменьшения является то, что индукция магнитного поля становится недостаточной для получения точной информации о секторе данных. Поэтому увеличивать плотность записи информации на магнитном диске, используя старые технологии, становится всё сложнее.

Чтобы решить эту проблему, разработан способ синтеза магнитных наностержней длиной от 20 до 200 нм из сплава железа и платины. Полученные наностержни имеют однотипную форму и однородную магнитную ориентацию атомов, создавая вокруг сильное магнитное поле, что очень важно для считывающих головок жёсткого диска. Наностержни можно «упаковывать» на поверхности диска в длинные и тонкие пучки, ориентируя их по своему желанию, что, по мнению учёных, может стать основой для разработки следующего поколения носителей информации высокой плотности.

Нанотехнологии в криминалистике

Нанотехнологии находят своё применение при исследовании отпечатков пальцев. Для контрастирования жирных следов пальцев использовали взвесь золотых наночастиц, обладающих гидрофобными свойствами, т.е. способных прилипать к поверхностям, покрытым жиром. Эти наночастицы, прилипая к жирным бороздкам отпечатков пальцев, формировали значительно более чёткий рисунок (см. нижнюю часть рисунка), чем можно было бы получить с помощью традиционной техники (см. верхнюю часть рисунка). При этом время, затраченное на процедуру, не превышало 3 мин.

Отпечаток пальца на бумаге (верх) и тот же отпечаток после контрастирования с помощью золотых наночастиц, прилипших к жирным следам бороздок, оставшимся на бумаге

Эритроциты и бактерии-перевозчики нанокапсул с лекарствами

Болезнь человека, как правило, связана с заболеванием не всех, а часто небольшой части его клеток. Но, когда мы принимаем таблетки, то лекарство растворяется в крови, а потом с кровотоком действует на все клетки – больные и здоровые. При этом у здоровых клеток ненужные лекарства могут вызывать так называемые побочные эффекты, например, аллергические реакции. Поэтому давниш ней мечтой врачей было выборочное лечение только больных клеток, при котором лекарство доставляется адресно и очень маленькими порциями. Нанокапсулы с лекарством, способные прилипать только к определённым клеткам, могут быть решением этой проблемы медицины.

Основное препятствие, мешающее использовать нанокапсулы с лекарствами для адресной доставки больным клеткам, – наша иммунная система. Как только клетки иммунной системы встречают инородные тела, в том числе и нанокапсулы с лекарствами, они пытаются разрушить их и удалить остатки из кровяного русла. И чем успешней они это делают, тем лучше наш иммунитет. Поэтому, если мы введём в кровь любые нанокапсулы, наша иммунная система уничтожит нанокапсулы до того, как они дойдут до клеток-адресатов.

Чтобы обмануть нашу иммунную систему, предлагают использовать для доставки нанокапсул красные кровяные клетки (эритроциты). Наша иммунная система легко узнаёт «своих» и никогда не нападает на эритроциты. Поэтому, если прикрепить нанокапсулы к эритроцитам, то клетки иммунной системы, «увидев» плывущий по кровеносному сосуду «свой» эритроцит, не станут «досматривать» его поверхность, и эритроцит с приклеенными нанокапсулами, поплывёт дальше, к клеткам, которым эти нанокапсулы адресованы. Эритроциты в среднем живут около 120 дней. Опыты показали, что продолжительность «жизни» нанокапсул, прикреплённых к эритроцитам, оказывается в 100 раз больше по сравнению с тем случаем, когда их просто вводят в кровь.

Обычную бактерию тоже можно нагрузить наночастицами с лекарствами, и тогда она сможет работать в качестве транспорта по доставке этих лекарств клеткам. Размеры наночастиц – от 40 до 200 нм, их учёные научились прикреплять к поверхности бактерий с помощью специальных молекул. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц разного типа.

Бактерии обладают естественной способностью проникать в живые клетки, являясь идеальными кандидатами для доставки лекарств. Особенно это ценно в генной терапии, где необходимо доставить фрагменты ДНК по назначению, не убив при этом здоровую клетку. После того, как гены попадают в клеточное ядро, оно начинает вырабатывать специфические белки, корректируя, таким образом, генетическое заболевание. Это открывает новые возможности в области генной терапии. Кроме того, можно заставить бактерии переносить наночастицы с ядом по адресу, например, убивать раковые клетки.

Нанокапсулы помогают убивать раковые клетки

Учёные установили, что к поверхности раковых клеток очень хорошо прилипают молекулы фолиевой кислоты. Поэтому, если внешняя оболочка нанокапсул будет содержать молекулы фолиевой кислоты, то такие нанокапсулы будут избирательно прилипать только к раковым клеткам. С помощью этих нанокапсул можно раковые клетки сделать видимыми, если к оболочке прикрепить ещё какие-нибудь молекулы, светящиеся, например, под ультрафиолетом. Прикрепив к внешней оболочке нанокапсул лекарство, убивающее раковые клетки, можно не только обнаружить их, но и убить.

Гибкий дисплей из нанотрубок

Расположив матрицу нанотрубок внутри плёнки из гибкого пластика, учёным удалось сделать гибкую электронную матрицу. Углеродные нанотрубки, чей диаметр составляет порядка 10 нанометров, ориентированы перпендикулярно поверхности плёнки и могут быть упакованы в произвольном порядке. Новый материал обладает способностью проводить электричество в направлении, перпендикулярном поверхности плёнки. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона! Сделав гибкие дисплеи, учёные решили одну из ключевых задач наноэлектроники. Гибкие сверхчёткие цветные экраны, сделанные на основе плёнок с нанотрубками, могут стать логичной заменой современных газет, а может быть, даже и книг.

Слева – матрица гибкого дисплея на основе нанотрубок, пронизывающих тонкую полимерную плёнку; справа – гибкий дисплей с изображением Леонардо де Винчи

Нановолоски делают поверхность чистой

Нанотехнологии дают возможность создавать поверхность, похожую на массажную щётку. Капли воды, попадая на такую поверхность, не растекаются по ней.

Слева: капля не смачивает поверхность, состоящую из нановолосков, и не растекается по ней. Справа: схематическое изображение поверхности, похожей на массажную щётку; – краевой угол, величина которого говорит о смачиваемости поверхности: чем больше , тем меньше смачиваемость

Любые частички размером более 10 мкм, оказавшись на нановорсистой поверхности, никогда к ней не прилипнут, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому частички грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды. Такое самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют эффектом лотоса, т.к. поверхность его листьев тоже покрыта нановорсинками. Похожим образом устроена поверхность крыльев бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.

Таким образом, нанотехнология позволяет создавать самоочищающиеся покрытия, обладающие также водоотталкивающими свойствами. Уже производят самоочищающееся ветровое стекло, внешняя поверхность которого покрыта нановорсинками. На таком стекле «дворникам» делать нечего. Есть в продаже постоянно чистые колесные диски для колёс автомобилей, самоочищающиеся с использованием эффекта лотоса, и уже сейчас можно покрасить снаружи дом краской, к которой грязь не прилипает.

Нановыключатель для батарейки

В отличие от транзисторов миниатюризация батареек происходит очень медленно. Их размер, приведённый к единице мощности, уменьшился за последние 50 лет лишь в 15 раз. Да и конструкция большинства батареек не претерпела значительных изменений за эти годы, и недостатки остались теми же. Основной из них – батарейки за несколько лет полностью теряют свою мощность, даже если не работают, а лежат на складе (15% энергии теряются каждый год).

Причиной падения со временем энергии у батареек является то, что даже у неработающих батареек электроды и электролит всегда соприкасаются между собой, поэтому постепенно меняется ионный состав электролита и поверхности электродов. Чтобы избежать контакта электролита с электродами, их поверхность можно защитить несмачиваемыми нановолосками , имитируя эффект лотоса.

Схематическое изображение «нанотравы» из наностержней диаметром 300 нм, на одном из электродов батарейки. Из-за гидрофобных свойств материала нановолосков раствор электролита (голубой) не может приблизиться к поверхности электрода (красный), и батарейка не теряет своей мощности в течение многих лет [Scientific American, 2006, Feb, p. 73]

Если покрыть эти волоски фторуглеродным полимером, то смачиваемостью можно управлять с помощью электрического поля. Достаточно подать небольшое напряжение на нановолоски – и они станут гидрофильными, в результате чего электролит заполнит всё пространство между электродами, сделав батарейку работоспособной. Считают, что эта технология будет востребована для батареек в разнообразных датчиках, например, сбрасываемых с самолёта в труднодоступных областях, использовать которые планируется лишь через несколько лет или в каких-либо специальных случаях по сигналу.

Нанотрубки делают полимерные материалы более прочными

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 вес, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с волокнами углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизится к прочности нанотрубки. Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!

Схематическое изображение нанотрубки, встроенной между молекулами полимера и соединённой с ними бутильными группами (БГ) [New Scientist, 18 Sept., 2004, p. 18]

Наночастицы оксида титана – наномыло и ловушка для ультрафиолета

Оксид титана TiO₂ обладает очень сильной каталитической активностью, и на его поверхности любые органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду. Он разлагает орган ические соединения только при солнечном свете из-за УФ-составляющей. Поэтому на основе оксида титана изготавливают фотокатализаторы, очищающие воду и воздух от токсичных органических веществ.

Нанесённая на стекло плёнка из наночастиц оксида титана прозрачна и незаметна для глаза. Однако такое стекло под действием солнечного света способно самоочищаться от органических загрязнений, превращая любую органическую грязь в углекислый газ и воду. Оно лишено жирных пятен и поэтому хорошо смачивается водой. В результате такое стекло меньше запотевает, т.к. капельки воды сразу распластываются вдоль поверхности стекла, образую тонкую прозрачную плёнку.

К сожалению, оксид титана перестаёт работать в закрытых помещениях, т.к. в искусственном свете практически нет ультрафиолета. Однако учёные считают, что, слегка изменив структуру оксида титана, можно сделать его чувствительным и к видимой части солнечного спектра. На основе таких наночастиц оксида титана можно будет изготовить покрытие, например, для туалетных комнат, в результате чего содержание бактерий и другой органики на поверхностях туалетов может снизиться в несколько раз.

Наночастицы оксидов титана и церия могут разлагать не только сложные органические соединения, но и опасные для человека монооксиды азота и углерода, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Поэтому пудру из этих наночастиц стали добавлять в топливо, чтобы снизить содержание вредных примесей в выхлопных газах.

Из-за своей способности поглощать УФ-излучение частицы оксида титана уже сейчас применяются при изготовлении солнцезащитных средств. Производители кремов стали использовать оксид титана в виде наночастиц, которые настолько малы, что обеспечивают практически абсолютную прозрачность солнцезащитного крема.

Наночастицы внутри нанотрубок – подарок химикам

Чтобы одно вещество вступило в химическую реакцию с другим, необходимы определённые условия, и очень часто создать такие условия не представляется возможным. Поэтому огромное число химических реакций существует только на бумаге. Для их проведения необходимы катализаторы – вещества, которые способствуют протеканию реакции, но не участвуют в них. Примерами таких катализаторов служат переходные металлы, например, титан, железо, родий.

Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок обладает большой каталитической активностью. При сворачивании «графитового» листа из атомов углерода в трубочку концентрация электронов на её внутренней поверхности становится меньше, поэтому на внутренней поверхности нанотрубок ослабляется, например, связь между атомами кислорода и углерода в молекуле СО.

Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок (см. левую часть рисунка). Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию, о которой только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода), получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы (см. правую часть рисунка).

Слева: микрофотография нанотрубок с находящимися внутри них наночастицами; справа: процесс получения этанола из синтез-газа с помощью нанотрубок и наночастиц (http://www.newscientisttech.com/channel/tech/dn11918-tiny-tubes-set-chemical-reactions-racing.html)

Сколько стоят нанотехнологии

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологиям и ростом инвестиций в них. 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. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счёт средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов. Можно считать, что резкий рост нанотехнологических исследований начался лет 10 назад, когда в США стали готовить государственную программу National Nanotechnology Initiative, одобренную конгрессом США в 2000 г. С тех пор средства, выделяемые правительством США на развитие нанотехнологий, постоянно росли.

В течение 2001–2007 гг. расходы на эту программу только со стороны государства превысили 7 млрд долл., причём частные инвестиции в нанотехнологии примерно в 10 раз превысили правительственные, а число учёных, участвующих в нанопроектах, намного превысило 100 000 человек. За прошедшие десять лет государственное финансирование проекта в США выросло в 10 раз. В текущем 2008 г. государственное финансирование нанотехнологических исследований в США составит 1,4 млрд долларов, что соответствует примерно 35 млрд рублей, из которых менее трети идёт на науку, столько же – на оборону и чуть меньше – на энергетические нанопроекты.

Годовые затраты из госбюджета различных стран на развитие нанотехнологий, млн долл.

В Японии с 1999 г. действует «Национальная программа работ по нанотехнологии», в Китае пятилетний план 2001–2005 гг. включал выделение 300 млн долл. В ЕЭС программа развития нанотехнологий включает множество проектов, направленных на установление лидирующих позиций на ряде критических направлений, начиная с разработки микроантенн и микроустройств и заканчивая разработкой микророботов, способных восстанавливать больные органы человека. В 2007 г. на тематическое направление «Нанонауки, наноматериалы и новые технологии» в ЕС выделено 3,5 млрд евро. В России на развитие нанотехнологий до 2015 г. планируется направить 200 млрд руб. (около 30 млрд в год) бюджетных средств, что, по словам президента В.В.Путина, «сопоставимо с финансированием всей фундаментальной науки».

Литература

Нанотехнологии. Азбука для всех: Сб. статей под ред. Ю.Третьякова. – М.: Физматлит, 2007.

Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника: Сб. статей под ред. П.П.Мальцева. – М.: Техносфера, 2006.

Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М.: Академия, 2005.

Андрюшин Е.А. Сила нанотехнологий: наука & бизнес. – М.: Фонд «Успехи физики», 2007.

Дрекслер Э. Машины созидания: грядущая эра нанотехнологий. – Anchor Books, 1986. См. русский перевод на сайте http://mikeai.nm.ru/russian/eoc/eoc.html

Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – М.: Бином, 2005.

Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2006.

Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. – Изд-во «Вильямс», 2005.

Фейнман Р. Там, внизу, полно места: Речь в Калифорнийском Технологическом институте в канун 1960 г. – http://www.transhumanism-russia.ru/content/view/118/20/

Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. – М.: Техносфера, 2003.

Интернет-сайты по нанотехнологиям

http://www.nanonewsnet.ru/ – о нанотехнологиях № 1 в России.

http://www.nanometer.ru/ – сайт нанотехнологического общества «Нанометр».

http://nauka.name/category/nano/ – научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках.

http://www.nanorf.ru/ – журнал «Российские нанотехнологии».

http://www.nanojournal.ru/ – «Российский электронный наножурнал».

http://www.nanoware.ru/ – официальный сайт потребителей нанотоваров.