Приглашаем к участию в XII Всероссийской олимпиаде про нанотехнологиям!
Сегодня стоимость приставки «нано» может составлять буквально многие миллиарды рублей, а вот приставка «микро», верой и правдой служившая многие годы безопасности страны и антитеррору, уже не модна, прямо скажем - не в почете и даже опасна с финансовой точки зрения. Ну, предположим, определим мы границу «нано» с правильной академической точки зрения, дав волюнтаристски одно из десятков возможных определений, и будем посылать все деньги на «нано», презрев «микро». Тоже плохо, поскольку тогда ни подводные лодки с прочными титановыми корпусами с «ультрамелкозернистой» микроструктурой, ни военные самолеты с упрочненными композитными материалами, ни «нанокерамика», которая на самом деле почти что «микро», ни тонкие пленки и гетероструктуры микроэлектроники не имеют шанса свободно и с достоинством войти в элитный клуб наноматериалов – поди докажи, что ты не «микро» (не верблюд)! А «истинные нано» - кто Вы и когда принесете отдачу? Ау, глазастые и вездессущие нанороботы! Однако есть, конечно есть, способ примерить грозных «соперников»!
Важнейшими параметрами наносистем являются размер, размерность, упорядочение и функциональность. Учет всех этих характеристик порождает нано- и микроструктурированные материалы, обладающими наивысшим, как говорят, инновационным потенциалом и действительно способными определить весь дальнейший прогресс в нанотехнологии. Начнем с избитых истин. Нанометр (сокращенно нм)– это одна миллиардная часть метра. Приставка «нано» пришла к нам из древней Греции, в переводе на русский язык она означает «гном» или «карлик» (ηαηοσ). В латыни «нано» имеет значение «маленький», «крошечный». И действительно, один нанометр - это очень маленькая величина, увидеть невооруженным глазом объекты такого размера невозможно. Для сравнения заметим, что волосы человека растут со скоростью 10 нм в секунду (а мы этого не замечаем!), а толщина одного волоска составляет огромную величину - почти 100 тысяч нанометров или 100 микрон. Наноразмерный масштаб используют для характеристики самых маленьких объектов, например, атомов и молекул. Размер атома кремния составляет 0.24 нм, а молекулы «фуллерена» С60 (“футбольного мяча”, состоящего из шестидесяти атомов углерода) – 0.75 нм. К представителям наномира также можно отнести кластеры, способные содержать до нескольких сотен атомов, и различного рода «наноструктуры», размер которых хотя бы в одном из измерений не превышает нескольких десятков нанометров. Мир наноструктур чрезвычайно интересен, ведь они имеют физические свойства, которые отличаются от свойств объемных материалов. Нанометры являются привычными единицами для описания длины волн света. Например, видимый свет имеет длины волн в диапазоне от 400 до 700 нм. В нанометрах измеряют также размеры микроорганизмов, клеток и их частей, биомолекул. Вот лишь некоторые примеры:
- Диаметр спирали ДНК человека – 2 нм;
- Длина одного витка ДНК – 3.4 нм;
- Молекула гемоглобина – 6.4 нм;
- Пиконановирусы – 20 нм;
- Молекула гемоцианина – 50 нм;
- Бактерии Mycoplasma mycoides 100-250 нм;
- Мимовирусы – 500 нм
- Эритроциты человека – 8000 нм (уже 8 микрон);
Однако «нано» - лишь короткий, хотя и страшно важный, отрезок «пятого измерения», его принципиальная важность заключается в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуются интереснейшие, практически важные химические и физические взаимодействия. В действительности любые объекты и материалы можно и нужно изучать на разных пространственных масштабах, особенности структуры и свойств материалов на которых (структурная иерархия) лишь в неразрывной совокупности предопределяют его конечные свойства, важные для фундаментальных исследований и, конечно, практики. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень "микро" (характерный размер - микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб. Что касается "нано", IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) установил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм), то мы говорим о наносистеме - это и есть уровень наномасштабов. Логичнее было бы определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов - изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Таким образом, в конечном счете, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и "размерность" (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, "интеграция" свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий - новое качество, как правило, получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано.
Разработка новых методов получения наноматериалов является современным приоритетным направлением развития химии. Актуальность исследований в этой области связана, прежде всего, с тем, что формирование нанообъектов происходит, как правило, в рамках специфических закономерностей, не исследовавшихся ранее в классических разделах химической науки. В частности, одним из основных принципов получения наноструктурированных материалов является самоорганизация в сложных открытых системах с иерархическими взаимодействиями на различных структурных уровнях или реализация управляемой самосборки из существующих в системе элементов – строительных блоков. И в том, и в другом случае управляемый процесс формирования упорядоченных структур может быть реализован, например, за счет использования специально введенных темплатов – «шаблонов», способствующих формированию необходимых взаимодействий (из множества возможных) между элементами системы (не путать с нанороботами – ассемблерами!).
Один из типичных примеров подобных материалов – неуглеродные нанотрубки. Те, кто хоть иногда интересуется новостями науки, не могли пропустить громкие сообщения о синтезе и свойствах «углеродных нанотрубок». Значительно меньше известно о нанотрубках других неорганических соединений. А ведь они не менее интересны и перспективны! Одно только многообразие оксидных соединений, на основе которых образуются нанотрубки, заслуживает восхищения. Первые неуглеродные нанотрубки (MoS2 и WS2) были синтезированы в 1992 г. израильским ученым Р.Тенне. При химическом способе синтеза образование нанотрубок происходит в результате взаимодействия исходных веществ в водных или водно-органических средах, в твердой или газовой фазе, в результате термолиза солей. «Темплатные методы» формирования нанотрубок заключаются в осаждении наночастиц на поверхности твердых веществ, задающих определенную форму и размер нанопродукта, при этом роль темплата могут играть молекулы органических веществ. Например, модель образования нанотрубок TiO2 можно представить схемой 3D→2D→1D. Трехмерный (3D) кристалл диоксида титана, реагируя с раствором щелочи NaOH, образует ламинарную двумерную (2D) структуру, которая изгибается, чтобы соединить ненасыщенные связи краевых атомов. При дальнейшем закручивании получается структура, представляющая собой либо нанотубулен (свиток), напоминающий рулон обоев, либо нанотрубку, образованную вставленными друг в друга концентрическими цилиндрами. Подобным же образом (при участии поверхностно-активных веществ-темплатов) происходит формирование нанотрубок других оксидных соединений, например оксида ванадия V2O5.
А знаете ли вы, что в наномире также встречаются объекты, похожие на предметы нашего макромира - звезды, цветы, гвозди, ракушки, расчески...? Давайте (в шутку, конечно) посмотрим, чем можно было бы снабдить «наночеловечков», если бы они вдруг существовали. Нано-люди могли бы разгуливать по полю из наноцветов диоксида кремния (рис. 1а), выращенных из SiC и С на кремниевой подложке. В случае необходимости что-то построить наночеловечки могли бы воспользоваться наногвоздями из оксида цинка (рис. 1б), которые получаются при осаждении паров оксида цинка в присутствии In2O3 на графитовую или кремниевую подложку. Эти замечательные наноснежинки и нано-звездочки (рис. 1в) – одна из разновидностей диоксида марганца (β-MnO2). Их получают в гидротермальных условиях из раствора Mn(NO3)2. А на рис. 1г показаны самые настоящие наноодуванчики! Полые сферы имеют состав VOOH и “растут” в гидротермальных условиях. А эти наноструктуры в виде расчески (рис. 1д) удалось получить также из оксида цинка, но в смеси с угольным порошком. Нанорасчески “выросли” на подложке из кремния, допированного золотом. Самую маленькую в мире метлу (рис. 1е), щетинки которой в тысячу раз тоньше человеческого волоса, получили, «выращивая» нанотрубки на нитях силицида углерода из горячего газа, насыщенного углеродом. При этом ручки щеток покрывались тончайшим слоем золота, что позволяло избежать появления на них щетинок. Наноструктуру «рыбья кость» (рис. 1ж) синтезировали при нагревании смеси порошков MgO и Со на кремниевой подложке. Наноструктура MnO2 необычной формы “морской наноёж” (рис. 1з), была получена гидротермальным методом из додецилсульфата натрия, а настоящий морской ёж показан на вставке.
И даже фрукты есть в наномире! Наноструктурированная пленка из диоксида марганца, полученная электрохимически, имеет внешний вид карамболы (рис. 1и). Еще один вид наноструктур из диоксида марганца – наноракушки (рис. 1к). Их получали наращиванием коллоидных наночешуек MnO2 на наносферах поливинилхлорида с последующим отжигом полученного композита. Органический темплат испаряется, и остаются неорганические очень тонкие полые наносферы. Исследователи успешно получают все новые и новые наноразмерные объекты. Одни из них являются индивидуальными наночастицами, другие получаются в результате агрегации и имеют необычную причудливую форму.
За последние десятилетия химики синтезировали, а физики и материаловеды изучили несколько сот наноструктур самого различного уровня - одномерные, двумерные, трехмерные, фрактальные и всевозможные их комбинации. Сколько их еще будет? Но сколь бы их ни было – это все иерархические структуры, примеряющие мир «микро» и мир «нано» как неотделимые части единого целого. Это наноструктурированные материалы, которые принесут нам радость бытия и уже очень скоро, если верить локомотивам российской нанотехнологической революции.
