Наноматериалы и нанотехнологии_Учебное пособие

Аннотация Изложены основные направления нанотехнологий, сравниваются

свойства материалов, имеющих макро и наноразмеры. Описаны установки для получения различных наноматериалов. Приведены контрольные вопросы.

Предназначено для подготовки бакалавров и магистров направления 5500000- «Технические науки».

2

ВВЕДЕНИЕ

Атом водорода, наименьший из существующих в природе, имеет диаметр около 1/10 нм; диаметр человеческого волоса - около 75 тыс. нм. Типичная молекула, по своей сложности отвечающая требованиям нанотехнологии,

может состоять из 100 атомов и иметь диаметр от 1 до 10 нм.

Принято считать, что социально-экономический прогресс в XXI веке будет всецело определяться успехами нанотехнологии. Под нанотехнологией понимают умение специалистов производить «сборку» любых объектов при использовании в качестве исходных ресурсов отдельных атомов и молекул, а в качестве оборудования для сборки и разборки объектов использование самоорганизующихся репликаторов, снабженных искусственным интеллектом

[Nanotechnology-Revolutionary Opportunities and societal Implications/M.Roco, R. Tomellini, 3rd Joint EC-NSF Workshop on Nanotechnology 2002.]. По множе-

ственным прогнозам специалистов уже к 2010 г. в практику войдет не только молекулярная нанохирургия и появятся первые лекарства от старения, но огромные изменения произойдут и в элементной базе информационных систем, и, в целом, в информационной технике. Появятся (не только лабораторно испытанные) новые наноматериалы с повышенной прочностью и одновременно малым весом. Нанотехнология проникнет практически во все сферы человеческой деятельности и существенно изменит характер отношения людей друг к другу и природе. Экономически развитые страны уже вплотную озаботились не только проведением фундаментальных научных исследований, финансируя национально-приоритетные программы по нанотехнологии [ На-

нотехнология в ближайшем десятилетии. – М.: Мир, 2002.-292 с ил], но и вкладывают все возрастающие средства в развитие национальной наноиндустрии. Достаточно сослаться на обзор профессора М. Роко [М. Роко. Пер-

спектива развития нанотехнологии: национальные программы, проблемы образования. Рос.Хим.Жур., том XLVI, №5, 2002], в котором описан опыт США по организации и долговременному финансированию шести университетских образовательных центров, в которых наряду с основными учебными курсами по нанонауке и нанотехнологии развиваются дополнительные виды подготовки и повышения квалификации студентов, магистров, аспирантов, учителей школ, преподавателей высшей школы и, наконец, специалистов промышленности.

3

1. В МИРЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

1.1 Основные понятия

Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба.

Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, появляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, «гигантских» эффектов и других явлений и процессов.

Наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям

Нанодиагностика – совокупность специальных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностейсистем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-

5

экономическими параметрами и функциональными возможностями. При плавном уменьшении размеров образца от больших (макроскопических) значений до маленьких, свойства меняются. Если размеры образца в одном измерении лежат в нанометровом диапазоне, а в двух других остаются большими, то получившаяся структура называется квантовой ямой.

К классу наноматериалов относят материалы с размером морфологических элементов менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нольмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные слои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы. На рис. 2 представлены размеры нанокристаллаквантовой точки [из интервью Will McCarthy, автором книги “Matter as Software”. 2004 NanoNewsNet.ru] .

6

Рис.2. Размеры нанокристалла – квантовой точки.

Термин «нанотехнология» был впервые предложен японскими учеными в 1974 году. Японский ученый Танигучи, специалист по обработке хрупких материалов, обратил внимание специалистов на грядущий переход к обработке с ультравысокой точностью, прогнозируя, что к 2000 году эта точность достигнет нанометрового интервала. Это потребует применения, как новых технологий, так и соответствующего метрологического обеспечения. Приставка нановообще означает одну миллиардную (10 -9) чего-либо. Нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых – порядка миллиардных долей метра. Хотя слово нанотехнология является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. Они существуют на земле столько, сколько существует сама жизнь. Например, моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся изнутри раковину, склеивая прочные наночастички мела смесью белков с углеводами. Более того, точно не известно когда человек стал использовать преимущества наноразмерных материалов. Есть сведения, что уже в четвертом веке до нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее наночастицы металлов. Огромное разнообразие прекрасных цветов витражей в средневековых храмах также объясняется присутствием металлических наночастиц в стекле.

1.2. История развития нанотехнологии

На протяжении всего развития науки ученые обращались к вопросу потенциальной важности маленьких частичек. Например, в 1661 году Р. Бойль описывает «крошечные массы, или кластеры, которым тяжело быстро разложиться на составляющие их частицы». В 1857 голу М. Фарадей публикует статью в «Философских Трудах Королевского Общества», в которой он предпринял попытку объяснить, как металлические включения в витражном стекле влияют на его цвет. Однако ответ на этот вопрос смог дать Г. Ми в работе, опубликованной в 1908 году в «Анналах физики». Принципиальное значение малоразмерных объектов было подчеркнуто Фейманом в 1959 году, когда была предложена вниманию слушателей его лекция при обсужде-

7

нии проблем миниатюризации «Внизу полным полно места» [R. Feinman. There‘s plenty of room at the bottom. An invitation to enter a new field of physics. In H. D. Hilbert (ed.), Miniaturization, Reinhold, N-Y., 1961, ]. Подчеркивалась актуальность работ в области сжатия информации, создание миниатюрных компьютеров, овладение молекулярной архитектурой.

Часть идей Феймана была развита Дрекслером, который издал книгу

«Машины созидания: пришествие эры нанотехологии» [K. Eric Drexler, Engines of creation. The Coming Era of Nanotechnology, pp.299, Anchor Books Double-day , New York, 1986. ]. Основываясь на биологических моделях, автор ввел представление о молекулярных робототехнических машинах. В противовес традиционному технологическому подходу «сверхувниз» применительно к миниатюризации интегральных схем, было обращено внимание на стратегию «снизувверх», имея в виду поатомную и помолекулярную сборку, о чем также упоминал Фейман. Однако только с появлением соответствующих методов формирования наноструктур только в 80-е годы был реализован способ получения малых металлических кластеров.

В 1996 году группа правительственных учреждений под началом Национального Фонда Науки организовали изучение текущего мирового состояния нанонауки. Результатом деятельности группы явились детально разработанные рекомендации по развитию этой области знаний, и была сформирована долговременная государственная программа под названием «Национальная нанотехнологическая дисциплина». Исследование, выполненное в этой области, позволило сделать два обобщения. Первым является то, что наноструктурированные материалы могут получать новые свойства и необычные характеристики. В основе такого поведения лежит тот факт, что с каждым свойством вещества связана характеристическая, или критическая длина. Основные физические и химические свойства меняются, когда размеры твердых тел становятся сравнимыми с характеристическими длинами, большинство из которых лежит в нанометровом диапазоне. Второе наблюдение касается того факта, что этим полем деятельности занимается множество разных отраслей знаний. Работы по нанотехнологии можно найти как на университетских отделениях химии, физики, экологии, так и на отделениях инженерных дисциплин, таких как электротехника, механика, химическая технология. Междисциплинарная природа этой области исследований ос-

8

ложняет понимание и использование результатов, полученных в одном из разделов нанонауки, в другом разделе. В качестве функциональных элементов в нанотехнологии могут быть и биологические объекты – белки, нити ДНК и др. Некоторые живые организмы осуществляют построение структур размерами порядка нескольких нанометров на протяжении 3,8 миллиардов лет. Поэтому вполне логично было бы воспользоваться природными примерами для построения наномашин в природе не существующих. Были использованы несколько методов для имитации природы на нанометрическом уровне. Один из подходов – создание материалов с уникальными свойствами, с использованием примеров, имеющимися в природе. Так, например, маленькая ящерица геккон может ползать практически по любым поверхностям. Результаты исследований его лапок показали, что существует ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Каппилярные силы помогают животному ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса – по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10-7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках сила связи значительно увеличивается. Так поверхность размерами 10х10 см, состоящая из волосков кератина, может удерживать груз в 100 кг. Группой исследователей из Манчестера были предприняты попытки сконструировать такой же массив нановолокон. Созданная ими поверхность смогла удержать всего 30 кг, т.е. была хуже природной.

В2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710,9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планируется выделить еще 3,7 млрд долл. Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран [Круглый стол «Нанотехнологии» 20 мая 2004 г. в рамках выставки «Перспективные технологии XXI века» (ВВЦ, г. Москва), организованной Министерством образования и науки Российской Федерации].

ВРоссии работы по нанотехнологии начаты еще 50 лет назад. Вообще, следует отметить, что в России данные материалы получили название ультрадисперсных материалов (УДМ) или ультрадисперсных систем (УДС). На-

9

ряду с терминами «наноструктурные материалы» и «наноматериалы» эти терминологии равноправны.

Научно-техническое направление по получению и изучению свойств УД материалов сложилось в России (СССР) в 50-е годы ХХ века. На предприятиях атомной промышленности были получены УД порошки с размером частиц около 100 нм. Данные порошки были успешно использованы для изготовления высокопористых мембран для диффузионного метода разделения изотопов урана. В 60-е годы в ИХФ АН СССР был разработан левитационный метод получения УД порошков. В 70-е годы с помощью использования электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент УД порошков был существенно расширен. В Московском институте стали и сплавов были разработаны химические методы синтеза нанопорошков железа и других металлов и композиций на их основе.

В 1980-е годы в Германии были получены высоконсолидированные нанокристаллические материалы. В 1980 году были проведены исследования кластеров, содержащих менее 100 атомов.

1.3. Основные направления развития

10