Приглашаем к участию в XII Всероссийской олимпиаде про нанотехнологиям!
Простые рассуждения о том, есть ли пророки в родном Отечестве в области нанотехнологий. Почему только Фейнман, Дрекслер и другие зарубежные коллеги должны у всех ассоциироваться со становлением нанотехнологий? Ведь тот путь, которым они сейчас в нашей стране шествуют и то понимание нанотехнологий, которое сейчас вкладывается в головы юному поколению, несомненно, должно рано или поздно привести к рассказу и о том, что и в России было нечто очень существенное и фундаментальное, послужившее предтечей "отечественных" нанотехнологий...
Стандартная присказка любого исторического введения к истории возникновения нанотехнологий начинается словами о действительно великом Р.Фейнмане и его рождественской лекции «Там, внизу, много места». Конечно, упоминается и Э.Дрекслер с его фантастически (в буквальном смысле слова) знаменитой «серой слизью», правда, говорят, он сам недавно отрекся от нанороботов. Потом говорится про нанотехнологическую гонку, подло начатую США, и т.д. А были ли они первыми и главными с нашей, выгодной не Западу или Востоку, а нам, да и исторической точки зрения? Факт, что о нас порой мало знают коллеги зарубежом (обычно мы сами виноваты), но разве это отменяет «историческую справедливость», которая, кстати, совсем не спешит восстанавливаться, как например, в случае получения углеродных нанотрубок.
Наверное, не так все же важно, кто начал гонку, гораздо важнее, чем она в разных странах закончится. И вот здесь, особенно с учетом нашего менталитета, очень важно сказать молодым дарованиям, которые и будут, отучившись и чему – то научившись, развивать нанотехнологии, что корни нанотехнологий – не только в американских деньгах и пресловутых нанороботах, а и в фундаментальной науке тоже, которая успешно развивалась (да, собственно, и продолжает развиваться) в их родном государстве. А иначе просто комплекс неполноценности сложится может, мол, американцы и японцы – это наше все, а наше прадеды и научные отцы, мол, вовсе ни при чем. Это прямой путь и к тому, чтобы руки опустились, и к тому, чтобы тихо – мирно, в соответствии с концепцией академического обмена, протекала необратимая «утечка умов». Собственно, не надо ничего выдумывать, просто надо сказать забытую правду о том, что было. А в том, что есть сейчас, и кто перенял традиции и бразды правления – в этом молодые и сами разберутся, жизнь и природная пытливость ума заставят... Можно предлагать много версий того, какие российские школы (или шире, школы СССР) внесли наиболее существенный вклад в развитие нанотехнологий в нашей стране. Скорее всего, это зависит не только от точки зрения, но и от научной специализации авторов подобных предположений. Именно поэтому мы дальше просто приведем достаточно очевидные (но не единственные и не в последней инстанции) примеры, которые, как мы надеемся, могли бы дать ход процессу «нанотехнологического самосознания». Приведенные ниже примеры касаются трех почти вечных областей – полимеров, коллоидной химии и ульрадисперсных металлических сплавов, но ведь есть еще много других областей, где тоже были свои классики…
Академик В.А.Каргин. В.А.Каргин избран в 1953 году действительным членом АН СССР; член-корреспондент АН СССР с 1946 г. В.А. Каргин сыграл огромную роль в становлении науки о полимерах как интегрированной области знания. Начав свою научную карьеру как классический химик-аналитик и физико-химик, он в конце 1930-х годов впервые показал (совместно с С.П. Папковым и З.А. Роговиным), что растворы полимеров, вопреки представлениям того времени суть термодинамически обратимые системы, подчиняющиеся правилу фаз. Исследования механических свойств полимеров привели В.А. Каргина к принципиально важным выводам о природе их физических и фазовых состояний. Идея о связи надмолекулярной структуры с физико-механическими свойствами полимера, высказанная в середине 1950-х годов, в дальнейшем получила многочисленные экспериментальные подтверждения. Эта идея пробудила глубокий интерес Каргина к синтезу и химической модификации макромолекул как средствам направленного формирования надмолекулярной структуры полимерных тел.
Академик П.А.Ребиндер. Академик П.А.Ребиндер – один из крупнейших физико-химиков - родился 3 октября 1898 г. в Петербурге. Семья Петра Александровича была тесно связана с русской интеллигенцией: по материнской линии он прямой потомок известного скульптора И.П.Мартоса и родственник академика В.И.Вернадского. В 1922 г. П.А.Ребиндер переехал в Москву и поступил на физико-математический факультет Московского университета, который окончил в 1924 г. Еще студентом он начал систематическую научную работу в области поверхностных явлений. После VI Съезда физиков в Казани (1928 г.), на котором П.А.Ребиндер впервые сделал доклад об открытом им эффекте адсорбционного понижения прочности, работы ученого приобретают всесоюзную и мировую известность. В 1933 г. следует официальное признание этих работ – П.А.Ребиндера избирают членом-корреспондентом Академии наук СССР. В 1934 г. он организует отдел дисперсных систем в Коллоидно-электрохимическом институте АН СССР, впоследствии реорганизованном в Институт физической химии АН СССР. Этот отдел П.А.Ребиндер возглавлял более 35 лет. Цикл исследований 30-х годов получил высокую оценку крупнейших ученых страны. В 1942 г. Петру Александровичу Ребиндеру была присуждена Государственная премия СССР II степени по химии за научные работы: "Значение физико-химических процессов при механическом разрушении и обработке твердых тел в технике" и "Облегчение деформаций металлических монокристаллов под влиянием адсорбции поверхностно-активных веществ". В 1942 г. П.А.Ребиндера избирают заведующим кафедрой коллоидной химии Московского государственного университета. Петр Александрович руководил научной работой кафедры, читал общий курс коллоидной химии, кроме того он вел специальные курсы по избранным главам физико-химии поверхностных явлений и дисперсных систем, а также по физико-химической механике. В 1946 г. П.А.Ребиндера избирают действительным членом Академии наук СССР.
Научная деятельность П.А.Ребиндера охватывает широкий круг проблем, составляющих содержание современной коллоидной химии как физико-химии дисперсных систем и поверхностных явлений. В своих первых работах (с 1922 г.) П.А.Ребиндер исследовал особенности водных растворов ПАВ. Измерения поверхностного натяжения этих растворов позволили установить аномалии в его зависимости от температуры, выяснить строение и кинетику образования адсорбционных слоев ПАВ. Исследования П.А.Ребиндера в области адсорбции из растворов ПАВ, явлений смачивания и моющего действия, стабилизации дисперсных систем и структурообразования в них, процессов диспергирования твердых тел и управления их прочностью закрепили связь коллоидной химии с молекулярной физикой, физикой твердого тела и механикой материалов. Вместе с тем они явились научной основой совершенствования ряда технологических процессов: флотационного обогащения руд, бурения горных пород, тонкого измельчения и обработки материалов, получения дисперсных структур, строительных, конструкционных и других материалов с заданными свойствами, а также получения устойчивых дисперсных систем (эмульсий, пен, суспензий, растворов белков, мицеллярных растворов), интенсификации добычи и переработки нефти и т. д. Петру Александровичу принадлежит заслуга введения представления о термодинамической устойчивости коллоидных систем. Он предложил количественный критерий оценки межфазного поверхностного натяжения, ниже которого система термодинамически устойчива. Понятия об избирательном смачивании и коэффициенте фильности явились ценными характеристиками смачивания для объяснения природы действия реагентов - собирателей во флотации, эффективное действие которых связано с их хемосорбцией на флотируемых частицах. В последние годы эти исследования явились основой для использования малых добавок ПАВ в нефтедобывающей. Петр Александрович внес огромный вклад в изучение структурообразования дисперсных систем. Он предложил общепринятую в настоящее время классификацию дисперсных структур, согласно которой они делятся на коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные, объяснил различия в реологических свойствах этих структур и изучил механизм и кинетику их формирования. Были развиты общие представления реологии и предложены новые варианты методов экспериментального исследования. Закономерности формирования кристаллизационных структур были использованы при разработке физико-химических основ теории твердения минеральных вяжущих веществ (цемента), бетона и других силикатных строительных материалов. Крупнейшее теоретическое и прикладное значение имеет открытый П.А.Ребиндером в 1928 г. эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел. Заслуги Петра Александровича в этой области отмечены также тем, что сейчас эффект адсорбционного понижения прочности и в отечественной, и в мировой научной литературе называют "эффектом Ребиндера". Исследования П.А.Ребиндера и его сотрудников положили начало новым представлениям о влиянии окружающей среды на прочность и другие механические свойства твердых тел. Эти работы открыли новые, весьма эффективные пути управления механическими свойствами материалов и процессами их обработки. В результате была создана новая пограничная область науки – физико-химическая механика, которая ставит своей задачей управление механическими (реологическими) свойствами твердых тел и дисперсных систем, процессами их деформации и разрушения при совместном воздействии физико-химических факторов, в особенности сочетанием адсорбционного и механического воздействий. В последний период деятельности у Петра Александровича возрос интерес к приложению достижений коллоидной химии к решению многих проблем современной биологии и медицины. Им развита одна из новых областей современной коллоидной химии – коллоидная химия биополимеров. Основной задачей этой области является изучение условий возникновения новых дисперсных (зародышевых) фаз и параметров, определяющих их устойчивость. Известно, что большинство жизненных процессов развивается в биогетерогенных полимерных системах, т. е. в коллоидных структурах; поэтому Петр Александрович придавал особое значение исследованиям дисперсных систем, моделирующих биологические процессы.
Академик Б.В.Дерягин. Академик Б.В.Дерягин - физикохимик, чл.-кор. АН СССР с 1946 г. Окончил Московский университет в 1922 г. До 1932 работал в Институте физики и биофизики в Москве, в 1932— 1935 — в Институте прикладной минералогии. С 1935 работал в Институте физической химии АН СССР (сейчас ИФХЭ РАН). Основные работы были посвящены исследованию поверхностных явлений. Он развил термодинамику систем с учетом введенного им понятия расклинивающего давления тонких прослоек. Теоретически обосновал влияние перекрытия ионных атмосфер на расклинивающее давление жидких прослоек и взаимодействие коллоидных частиц, что позволило ему создать теорию коагуляции и гетерокоагуляции коллоидных и дисперсных систем. Вместе с Л. Д. Ландау создал в 1928 г. теорию устойчивости лиофобных коллоидов, известную как ДЛФО (теория устойчивости дисперсных систем Дерягина—Ландау—Фервея—Овербека). В процессе исследовваний обнаружил особые свойства граничных слоев жидкостей, определяемые их специфической (анизотропной) структурой, развил теории термоосмоса и капиллярного осмоса в жидкостях, термофореза и диффузиофореза аэрозольных частиц. Под его руководством впервые синтезированы (1967) при низких давлениях нитевидные кристаллы алмаза — "усы". Разработал методы наращивания алмазных кристаллов и порошков из газа при низких давлениях.
Академик И.В.Тананаев. Академик И.В.Тананаев - крупнейших ученый нашей страны в области неорганической химии, химии редких и рассеянных элементов, аналитической химии и физико-химического анализа. Одним из важных предложений, высказанных им, является введение понятия о новой «координате» дисперсности, определяющей поведение, а также термодинамические свойства ультрадисперсных систем, что подтверждается многочисленными современными исследованиями. Так, одна из важнейших характеристик наносистем – площадь и состояние их поверхности, без этого часто невозможно адекватно рассматривать их поведение и эволюцию во времени.
Член-корреспондент РАН В.Б.Алесковский. В.Б.Алесковский окончив в 1937 году Ленинградский технологический институт, в 1972 г. был избран членом-корреспондентом АН СССР, с 1975 г. стал ректором ЛГУ. В.Б.Алесковский стоял у истоков становления химии твердого тела в нашей стране. Основной областью научных интересов В.Б.Алесковского было изучение природы и химических превращений твердых веществ и разработка технологии создания новых неорганических материалов. Широко известны его работы по созданию (в 60-х годах) по некоторой аналогии с репликацией ДНК процесса химической сборки (ХС) и одновременно метода синтеза твердых соединений воспроизводимого состава методом молекулярного наслаивания. Этот метод получил развитие за рубежом спустя 20 лет и стал известен под названием атомной послойной эпитаксии (ALE). В настоящее время он является одним из основных методов синтеза наноматериалов для микроэлектроники. В.Б.Алесковским разработана концепция химии надмолекулярных соединений (начало 90-х годов), переработанная затем при учете собственных данных и данных супрамолекулярной химии (Ж.-М-Лен, 1989) и приведшая к созданию концепции химии высокоорганизованных веществ (1993). Многие результаты разработок и изобретений В.Б.Алесковского и его учеников реализованы на практике.
И.Д.Мороховактивно участвовал в Атомном проекте СССР и явился одним из авторов выдающихся научных и инженерных разработок в области ультрадисперсных металлических сплавов. Характерной физико-химической особенностью ультрамалых частиц нанометрового размера (менее 100 нм) является повышение их энергонасыщенности по сравнению с массивными образцами, что обусловлено соизмеримостью поверхностных и объемных характеристик наночастиц, и связано с изменением трансляционной симметрии кристаллической решетки, зонной структуры и других параметров вещества наночастиц. Одновременно наблюдается значительное увеличение реакционной способности таких частиц. В этой связи вопросы сохранения наночастиц как объектов, позволяющих их практическое использование с целью получения материалов с новыми характеристиками и свойствами, приобретают большое значение.
Академик Ж.И.Алферов. До момента присуждения Ж.И.Алферову Нобелевской премии российским ученым принадлежало всего восемь Нобелевских премий (Николай Семёнов – премия по химии за 1956 г.; Илья Франк, Игорь Тамм, Павел Черенков – премия по физике за 1958 г.; Лев Ландау – 1962 г.; Александр Прохоров, Николай Басов – 1964 г.; Петр Капица – 1978 г.). В 1953 году, после окончания ЛЭТИ, Ж.И.Алферов был принят на работу в Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе в лабораторию В.М. Тучкевича. В первой половине 50-х годов перед институтом была поставлена задача создать отечественные полупроводниковые приборы для внедрения в отечественную промышленность. Перед лабораторией стояла задача: получение монокристаллов чистого германия и создание на его основе плоскостных диодов и триодов. При участии Ж.И.Алферова были разработаны первые отечественные транзисторы и силовые германиевые приборы. В те годы была высказана идея использования в полупроводниковой технике гетеропереходов. Создание совершенных структур на их основе могло привести к качественному скачку в физике и технике. В основу технологических исследований им были положены эпитаксиальные методы, позволяющие управлять такими фундаментальными параметрами полупроводника, как ширина запрещенной зоны, величина электронного сродства, эффективная масса носителей тока, показатель преломления и т.д. внутри единого монокристалла. Открытие Ж.И. Алфёровым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений – «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в гетероструктурах – позволило также кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально новые, особенно перспективные для применения в оптической и квантовой электронике. Эти работы были по заслугам оценены международной и отечественной наукой. В 1971 году Франклиновский институт (США) присуждает ему престижную медаль Баллантайна, называемую «малой Нобелевской премией» и учрежденную для награждения за лучшие работы в области физики. Затем следует самая высокая награда СССР – Ленинская премия (1972 год). С использованием разработанной Ж.И. Алфёровым в 70-х годах технологии высокоэффективных, радиационностойких солнечных элементов на основе AIGaAs/GaAs гетероструктур в России (впервые в мире) было организовано крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 году на космической станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности. На основе предложенных в 1970 году Ж.И. Алфёровым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AIGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности. В начале 90-х годов одним из основных направлений работ, проводимых под руководством Ж.И. Алфёрова, становится получение и исследование свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек. В 1993...1994 годах впервые в мире реализуются гетеролазеры на основе структур с квантовыми точками – «искусственными атомами». В 1995 году Ж.И. Алфёров со своими сотрудниками впервые демонстрирует инжекционный гетеролазер на квантовых точках, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Принципиально важным стало расширение спектрального диапазона лазеров с использованием квантовых точек на подложках GaAs. Таким образом, исследования Ж.И. Алфёрова заложили основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур с очень широким диапазоном применения, известной сегодня как «зонная инженерия».
… и это только несколько примеров. Таких разных. И таких общих в своей фундаментальной значимости и стремлении к постижению тайн материи, в том числе и на нанометровом уровне...
Статья написана на основе обсуждений с деканом - основателем Факультета Наук о Материалах МГУ академиком Ю.Д.Третьяковым.
