|
ОТ ИЗДАТЕЛЯ
Генеральный директор Издательского Дома «Магистр-Пресс», Президент международной комиссии по разработке раздела EOLSS «Нанонаука и нанотехнологии», профессор В.Н. Харькин
Дорогие читатели!
Издательский Дом «МАГИСТР-ПРЕСС» предлагает вашему вниманию русскоязычную версию энциклопедии «Нанонаука и нанотехнологии» из серии «Энциклопедии систем жизнеобеспечения» ЮНЕСКО/EOLSS (http://www.eolss.net). В работе над этой энциклопедией наряду с крупнейшими специалистами-нанотехнологами из более чем десяти стран принимали активное участие и российские ученые, что отражает значительный потенциал России в области передовых технологий и научного развития.
«Энциклопедия систем жизнеобеспечения» является крупнейшей мировой базой знаний по всем аспектам устойчивого развития; это динамичная, живая энциклопедия, постоянно пополняющаяся новыми знаниями по мере их получения международным научным сообществом. Таким образом, раздел «Нанонаука и нанотехнологии» «Энциклопедии систем жизнеобеспечения» будет перманентно расширяться; в скором времени ожидается поступление новых материалов, в частности, от проф. О.О. Аваделькарима по нано- и микромасштабным нисходящим процессам и соответствующим методам обработки, от проф. Ч. Бая по азиатским нанопрограммам; запланировано написание глав по нанотоксикологии, механохимии, нанокластерам, восходящим методам в нанопроизводстве, транспорту в наноструктурах и др.
Учитывая быстрый прогресс научных исследований и разработок в области нанонауки и нанотехнологий, а также инициативы ряда стран, связанные с нанотехнологиями и наноматериалами, мы сделали все от нас зависящее для скорейшего издания этой энциклопедии, содержащей новейшие материалы. Надеемся, что издание будет полезно всем интересующимся нанонаукой и нанотехнологиями, способствуя, таким образом, развитию научно-технического потенциала мирового сообщества, прогрессу и устойчивому развитию во благо мира в соответствии с приоритетами ЮНЕСКО.
ПРЕДИСЛОВИЕ Генерального директора ЮНЕСКО (1999-2009) Коитиро Мацууры к русскому изданию тома «Нанонаука и нанотехнологии» в рамках «Энциклопедии систем жизнеобеспечения», издающейся под эгидой ЮНЕСКО-EOLSS
Mы осознаем, насколько катастрофически низок современный уровень научных знаний о сохранении жизни на нашей планете. Несмотря на то, что производство научных знаний не замедлялось никогда, нам еще только предстоит открыть огромные объемы информации. Именно поэтому сбор и систематизация уже существующих знаний становятся важным делом.
Этим как раз и занимается «Энциклопедия систем жизнеобеспечения» (EOLSS). В действительности эта Энциклопедия, электронную версию которой я торжественно открывал на Всемирной встрече в верхах по устойчивому развитию, проходившей в Йоханнесбурге (Южная Африка) в 2002 г., является наиболее всеобъемлющей базой человеческих знаний об устойчивом развитии, когда-либо созданной международным научным сообществом. Более семи тысяч выдающихся специалистов из 110 стран мира внесли свой вклад в создание этой уникальной виртуальной динамической библиотеки, которая насчитывает около 600 томов по 800 страниц каждый (если бы они были представлены в печатном виде). Более того, EOLSS – это живая энциклопедия, в которую добавляются все новые темы по мере того, как становятся доступными новые научные знания.
Хорошим примером этой особенности Энциклопедии может служить том «Нанонаука и нанотехнологии». В этом названии объединяются знания, развившиеся в течение последних десятилетий в новую отрасль науки и техники, которая занимается изучением и манипуляцией с материалами на атомном, молекулярном и макромолекулярных уровнях. Многие страны к началу ХХI века включили в число своих государственных приоритетов развитие нанонауки и нанотехнологий. Инициатива Президента Российской Федерации по «Стратегии развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года» является хорошим примером такого подхода.
Однако, как это всегда происходит с человеческими открытиями, применение новых знаний приносит не только новые возможности и прорывы в медицине, биологии, очистке воды, информационных технологиях и т.д., но также способствует появлению сопутствующих многочисленных проблем в области образования, этики, общественных отношений, здравоохранения, окружающей среды, безопасности и законодательства. ЮНЕСКО выступает за многодисциплинарный подход к проблемам нанотехнологии, говорим мы об образовании или этике. На деле, ЮНЕСКО стала первой организацией, организовавшей международное обсуждение проблем нанотехнологии и этики.
В данном томе о нанонауке и нанотехнологиях применяется такой междисциплинарный подход. По моему убеждению, этот том окажется полезным не только для университетских слушателей, занимающихся изучением этого предмета, но также для преподавателей, готовящихся к лекциям и семинарам по данной тематике, профессиональных работников, специалистов, которые хотели бы применять свои знания в областях, лежащих за пределами их собственной специальности, а также для аналитиков, управленцев и руководителей, намеренных использовать полученные знания в процессе принятия руководящих решений.
Я с удовольствием наблюдаю за прогрессом и дальнейшим расширением этой Энциклопедии и желаю ей всяческих успехов в дальнейшем.
НАНОТЕХНОЛОГИЯ: ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ НАНОМИРА
Главный соредактор, профессор С.П. Капица
Нанотехнологию сегодня относят к высоким технологиям ХХI века. Под нанотехнологией принято понимать сумму технологий и методик, в основе которых лежат операции с отдельными атомами, молекулами, отдельными наночастицами с целью создания компонентов с размерами до 100 нанометров и их последующей интеграции в функционирующие приборы и устройства с принципиально новыми качествами. С этой точки зрения нанотехнология является междисциплинарной прикладной наукой и отличается прежде всего тем, что имеет дело с веществом в наномасштабных размерах, существенно отличающимся по своим физико-химическим свойствам от вещества в макромасштабе.
Это многообещающее направление выросло как результат фундаментальных открытий в современной физике, в первую очередь, связанной с представлениями квантовой механики и физики тех явлений, где проявляются, часто самым неожиданным образом, квантовые эффекты в макромасштабе. Поэтому в развитии нанотехнологий решающая роль принадлежит тому пониманию, которым мы обязаны квантовой физике. Там все основные свойства твердых тел связаны с квантовыми явлениями: кристаллическая структура твердых тел прямо отражает квантовые свойства атомов и молекул и их симметрию. То же относится к электрическим и магнитным свойствам твердых тел. Более того, в физике не так давно возникла мезофизика, имеющая дело с явлениями в промежутке между квантовым миром и макроскопическим миром. По существу, во многом на представлениях мезофизики основаны многие достижения нанотехнологий.
Обратимся к миру живого. Открытие бактерий и микробов, связанное с изобретением совершенных оптических микроскопов, привело к появлению микробиологии. Ее вклад в медицину и микробиологическую промышленность определяет все значение этих открытий фундаментальной науки. Открытия же современной молекулярной биологии подобным образом можно было бы назвать нанобиологией. Ее объектом является уже геном, а со стороны более сложных систем – это с трудом видимые в микроскоп вирусы.
Без этого более широкого видения невозможно представить себе то, что мы теперь связываем с нанотехнологиями и прорывом в мезомир, лежащий между квантовым миром атомов и макромиром. В частности, до сих пор остро стоит вопрос о возможности видеть в этом мире. Пока наиболее обещающими являются источники синхротронного излучения и так называемые лазеры на свободных электронах. Но до сих пор нет когерентных наноскопов, и экспериментаторам и изобретателям часто бывает трудно непосредственно понять, что же происходит в наномире.
В частности, с этим связана громадная по своему значению область физики и химии катализа, где именно на границах наночастиц разыгрываются процессы, в познании которых многое основано на косвенных данных, интуиции и опыте. Я потому так подробно перечислил области, пограничные с нанотехнологией, что без этого трудно понять как перспективы ее возможностей, так и те результаты, которые там будут получены. В этом смысле современный нанотехнолог подобен Гулливеру, попавшему в магазин игрушек наномира. Как первый этап он понятен и необходим, однако со временем человек взрослеет и начинает понимать, что наноигрушки, как бы они не были занимательны, это только ступень к более зрелому пониманию наномира.
Тем не менее, наноматериалы, уже разработанные и использующиеся в различных приборах и процессах, поражают воображение исследователей и разработчиков. Углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, нанокристаллы находят применение в электронике, строительстве, медицине, химической промышленности, вычислительной технике. Приборы и процессы с их использованием дают впечатляющие результаты. Методы нанотехнологии уже сегодня позволяют разработать молекулярные нанороботы, молекулярные пропеллеры, другие электронно-механические устройства наноэлектроники.
Заметные успехи происходят в нанобиотехнологии. Прежде всего, это возможность создать управляемый механосинтез, другими словами, составление композиций из атомов и молекул с помощью их управляемого сближения, пока не начнут действовать химические связи. Такие процессы самосборки и самоорганизации вселяют надежду на разработку технологических процессов, способных воссоздать групповую технологию в микроэлектронике. Для этого необходимо создать систему «нанокомпьютер - наноманипулятор». В этом случае достаточно спроектировать любой продукт, и он будет создан и размножен сборочным комплексом. Несомненно, будут разработаны биологически совместимые нейроинтерфейсы и импланты, позволяющие взаимодействовать нервной системе человека с компьютерами и глобальными сетями, затем наномедицинские роботы...
Эти перспективы безграничны, но пока это реализация в наномире того, что мы видим вокруг себя, как первые шаги в освоении мезомира, когда от мира игрушек как моделей известного мы попадаем в мир принципиально новых свершений. Поэтому представляемая энциклопедия должна помочь вырастить новое поколение людей века нанотехнологий – ученых и изобретателей и реализовать тот потенциал, который есть в этой области. Это развитие будет основано не столько на масштабировании известного, сколько на более полном овладении наномиром, во всеоружии представлений квантовой физики, методов и представлений современной молекулярной биологии и химии.
РАЗВИТИЕ НАНОСФЕРЫ В РОССИИ И МЕЖДУНАРОДНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО
Руководитель Россотрудничества, доктор политических наук Ф.М. Мухаметшин
В настоящее время невозможно себе представить перспективы научно-технического и социально-экономического развития общества без использования достижений нанонауки и нанотехнологий. Потенциальный диапазон приложения указанных достижений столь обширен, что это дает основание рассматривать нанотехнологии в качестве фундамента новой наукоемкой экономики XXI века. Понимание этого факта в России находит отражение в политике серьезной государственной поддержки наносферы.
В Послании Президента Российской Федерации Федеральному Собранию, зачитанном 10 мая 2006 года, подчеркивалось, что нанотехнологии – «это одно из самых перспективных направлений и путей развития энергосбережения, элементной базы, медицины, робототехники». Глава государства также дал указания о начале бюджетного финансирования развития индустрии нанотехнологий и создания элементной базы.
В том же 2006 году Президентом Российской Федерации утверждены приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации, среди которых нашла свое место индустрия наносистем и материалов. Кроме того, нанотехнологии и наноматериалы отнесены к перечню критических технологий Российской Федерации.
В рамках выдвинутой в 2007 году президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии» поставлены три основные задачи развития наноиндустрии в стране:
- на первом этапе стоит задача кардинального увеличения объемов производства уже выпускаемой и востребованной продукции нанотехнологий, насыщения соответствующих рынков в ближайшие три-четыре года;
- задача второго этапа – разработка и доведение до промышленного производства новых видов продукции нанотехнологий, которые должны появиться на рынке через три-пять лет;
- задача третьего этапа – опережающее развитие принципиально новых направлений в области нанотехнологий, обеспечивающих создание в стране надотраслевой научно-образовательной и производственной среды в перспективе на ближайшие 10–20 лет.
Главным содержанием этого этапа станут разработка и создание:
- продукции нанобиотехнологий;
- гибридных устройств и приборов бионического типа;
- нанобиосистем и устройств, включая принципиально новые гибридные системы очуствления бионического типа;
- биоробототехнических систем.
Реализация задачи третьего этапа приведет к созданию принципиально нового технологического базиса экономики в Российской Федерации.
Успешное решение поставленных задач невозможно без соответствующих инструментов государственной политики в сфере нанотехнологий, инфраструктуры, эффективной координации.
В этих целях разработаны Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года, федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы». Значимый ряд проектов, связанных с нанотехнологиями и наноматериалами, вошел в федеральную целевую программу «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 годы». Вопросы обеспечения взаимодействия федеральных органов исполнительной власти в процессе развития нанотехнологий и наноиндустрии, формирования рынка нанопродукции и наноуслуг возложены на Правительственную комиссию по высоким технологиям и инновациям.
Формируется структура национальной нанотехнологической сети, обеспечивающей концентрацию ресурсов на приоритетных направлениях исследований и разработок, повышение эффективности работ и уровня их координации, создание благоприятных условий для ускоренного введения в хозяйственный оборот новой конкурентоспособной продукции нанотехнологий. В состав национальной нанотехнологической сети уже входят или войдут в дальнейшем:
- Российский научный центр «Курчатовский институт», осуществляющий научную координацию деятельности по реализации президентсткой инициативы «Стратегия развития наноиндустрии»;
- Российская государственная корпорация нанотехнологий (Роснанотех), решающая задачи организационной и финансовой поддержки инновационной деятельности в сфере нанотехнологий;
- организации, осуществляющие финансирование проектов развития нанотехнологий, включая венчурные фонды;
- научные, образовательные, проектные и промышленные центры и лаборатории, созданные на базе вузов, Российской академии наук и других научных организаций, предприятий и учреждений различных форм собственности, осуществляющие исследования, разработки в сфере нанотехнологий и выпуск нанопродукции.
В качестве условия эффективной организации работ национальной нанотехнологической сети создана и развивается сеть для обмена научно-техническими и инженерными данными – Nano-Net.
Все вышеприведенное говорит о твердом намерении и практических шагах перехода России к инновационной экономике, важное место в которой занимают нанонаука и нанотехнологии.
Большое значение для ускоренного развития наносферы в мире имеет широкая международная кооперация.
Федеральное агентство по делам Содружества Независимых Государств, соотечественников, проживающих за рубежом, и по международному гуманитарному сотрудничеству (Россотрудничество) совместно с МИД России будет всячески содействовать заинтересованным российским министерствам и ведомствам в установлении деловых и научных связей с иностранными партнерами в сфере нанонауки и нанотехнологий. В частности, мы предполагаем:
- поддерживать международное сотрудничество в целях реализации важнейших инновационных проектов государственного значения в сфере нанонауки и нанотехнологий, расширения фундаментальных исследований;
- стимулировать создание научно-образовательных и научно-производственных интегрированных структур, в том числе путем активного продвижения на мировой рынок российской научной и научно-технической продукции;
- оказывать содействие в научных и научно-технических связях с государствами-участниками Содружества Независимых Государств, создании единого научно-технического и информационного пространства в рамках союза Беларуси и России;
- обеспечивать взаимодействие с соотечественниками, занятыми научной, научно-технической и инновационной деятельностью за рубежом, активно привлекать их к реализации с участием России международных научных программ и проектов;
- расширять практику подготовки и переподготовки зарубежных специалистов в российских высших учебных заведениях и ведущих научных организациях;
- содействовать поддержанию и развитию международных контактов субъектов Российской Федерации в научно-технической области, а также в сфере образования;
- поддерживать взаимодействие между наукой и гражданским обществом в международном обсуждении вопросов влияния нанотехнологий на здоровье людей, социальных и экологических аспектов их применения.
Развиваясь, наука и техника меняют наши представления о мире, и так было всегда. С одной стороны, они предоставляют человечеству новые возможности, с другой – научно-техническая революция приносит с собой вызовы и угрозы. Применительно к современному этапу развития цивилизации побочные эффекты заключаются, к примеру, в возможности использования террористами высоких технологий, углублении научно-технического неравенства государств.
Кроме того, возникают вопросы моральности тех или иных научных направлений. В международном сообществе не утихают споры об этичности проведения исследований стволовых клеток, некоторых аспектов генной инженерии, в т.ч. когда обсуждается возможность клонирования высокоразвитых существ.
Одним словом, есть много вопросов, которые ставит перед нами научно-техническое развитие. Международному сообществу еще предстоит на них ответить, в том числе в области законотворчества и даже дать нравственные оценки тем или иным научным открытиям и направлениям.
Последнее представляется делом чрезвычайной важности, ибо уже со времен древнего мира было известно, что общество, жертвующее принципами морали ради наращивания своего научного, военного или экономического потенциалов, рано или поздно обращает свою мощь против себя. Примеры, подтверждающие эту истину, можно найти и в новейшей истории.
Великий российский кинорежиссер Андрей Тарковский так комментировал свой научно-популярный фильм «Солярис», который обрел всемирное признание: «Проникновение в сокровенные тайны природы должно находиться в неразрывной связи с прогрессом нравственным. Сделав шаг на новую ступень познания, необходимо другую ногу поставить на новую нравственную ступень. Я хотел доказать своей картиной, что проблема нравственной стойкости, нравственной чистоты пронизывает все наше существование, проявляясь даже в таких областях, которые на первый взгляд не связаны с моралью, например, таких как проникновение в космос, изучение объективного мира и так далее».
При этом совершенно очевидно, что научно-техническое сотрудничество является неотъемлемой частью прогресса, развития человеческой цивилизации. И Россия, как страна с традиционно сильной научной школой, ни в коем случае не намерена оставаться в стороне от этого процесса. Напротив, российское государство, при безоговорочной поддержке его в этом вопросе со стороны гражданского общества, намерено активно развивать наносферу. А в перспективе – вывести Россию на лидирующие позиции в этой области.
НАНОТЕХНОЛОГИИ – СИМВОЛ XXI ВЕКА
Ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана И.Б. Федоров
Нанотехнологии – символ начала XXI века для многих направлений развития науки, техники, технологии. Трудно назвать сферу знаний, отрасль промышленности, сельского хозяйства, медицины, в которой бы внедрение достижений нанотехнологий не оказало бы значительное влияние на увеличение эффективности применения и использования. Для любого специалиста нанотехнологии - это создание систем, материалов, устройств, продуктов на наноразмерном уровне. Уже в ближайшие годы следует ожидать научных прорывов с применением достижений нанотехнологий. К ним в первую очередь следует отнести значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, индивидуальный подбор и адресную доставку лекарств, получение новых материалов с неизвестными до настоящего времени свойствами, новые методы передачи информации, создание сверхминиатюрных устройств на основе самосборки и многое другое.
Следует отметить, что в последние годы получено большое количество чисто научных результатов в области создания наноматериалов, наносистем, нанотехники. Отдельные результаты подтверждены экспериментами и макетными, лабораторными образцами. Однако переход от лабораторных к промышленным образцам достаточно сложен и до настоящего времени не изучен. Это связано с необходимостью разработки как технологий атомарной точности, так и высокопроизводительных производственных систем атомарной точности. Проблемы создания таких технологий и систем призвана решать наноинженерия (Nanotechnological engineering, Nanoengineering) – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования, проектирование и совершенствование методов разработки, производства и применения интегрированных систем, основанных на принципах нанотехнологий и микросистемной техники. В этом определении сконцентрирован как опыт существования инженерии на протяжении нескольких веков, так и то новое, что вносят в инженерию нанотехнологии.
Успехи как в наноинженерии, так и в нанотехнологиях зависят от того, насколько быстро и качественно будут сформированы творческие коллективы специалистов, какова будет их профессиональная подготовка. И здесь большую роль должны сыграть университеты страны. Отмечу следующее:
- практически ни один университет не в состоянии приобрести или самостоятельно разработать в нужном объеме необходимую материально-техническую базу, в связи с чем необходимо развивать кооперацию как университетов внутри одной страны, так и межгосударственную кооперацию университетов и ведущих научных центров и фирм;
- необходимо развивать сеть центров коллективного пользования, научных центров и лабораторий при университетах и организацию их тесного взаимодействия с промышленностью, что позволит обеспечить выполнение реальных проектов по заказу промышленности или в рамках исследовательских грантов;
- необходимо осуществлять отбор наиболее способных студентов последних курсов обучения и привлекать их к оплачиваемой научно-исследовательской работе, выполняемой лабораториями университетов и компаниями, ассоциированными при университетах (практически каждый университет имеет свой так называемый «бизнес-инкубатор», поддерживаемый рядом компаний);
- в университетах нужно иметь парк оборудования, позволяющего проводить обучение по принципу «от простого к сложному»; необходимо: а) наличие соответствующего парка простого и надежного оборудования, используемого для проведения типовых лабораторных работ для широкого круга студентов; б) наличие специализированного опытно-экспериментального оборудования, позволяющего реализовывать конкретные проекты по специализациям; в) наличие уникального научно-исследовательского оборудования, обеспечивающего проведение прорывных исследований.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана организован центр коллективного пользования, в котором установлено уникальное исследовательское и технологическое оборудование для проведения работ на высоком научном уровне. В то же время на кафедрах университета имеется более простое оборудование, на котором студенты осваивают азы нанотехнологии и готовятся к работе на сложных установках. Выполняются реальные дипломные проекты. По заданиям промышленности выполняются научно-исследовательские работы. Все это позволяет надеяться, что в ближайшем будущем в науке и промышленности появится большой отряд специалистов, способных решить сложнейшие задачи реализации перспектив нанотехнологий.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Научные основы
1.1. Физика и химия наноструктур: почему они иные?
Эмиль Родунер, Институт физической химии, Штутгартский университет, Германия
Такие свойства, как цвет, температура плавления, потенциал ионизации и электронное сродство, удельная электропроводность или магнитные свойства, которые для больших объемов не зависят от размера, приобретают такую зависимость, когда размер частиц уменьшается по крайней мере на одну единицу измерения ниже определенной границы, которая обычно составляет около 100 нм. Исходя из этого, свойства вещества можно приводить к желаемым значениям, регулируя размер наночастиц и толщину тонких слоев или проволок. Для химиков это особенно важно в катализе.
1.2. Надмолекулярная химия: от молекулярных структур к функциональным блокам
Хуапин Сю и Си Чжан, отделение химии, Университет Цинхуа, Пекин, КНР
Цзюньци Сунь, Ведущая государственная лаборатория по надмолекулярным структурам и материалам, Университет Гирин, Чанчунь, КНР
Шусюнь Цуй, Ведущая лаборатория инновационных технологий материалов, Юго-Западный университет Цзяотун, Чэнду, КНР
Задачи надмолекулярной химии заключаются в создании более сложных комплексных химических систем из составляющих, полученных в результате взаимодействия через нековалентные межмолекулярные силы. Эта область, основоположником которой был Д.М. Лейн, была и сейчас является основной для исследования важнейших биохимических процессов жизнедеятельности. Более чем за 20 лет она выросла в самостоятельное направление современного образовательного процесса, исследований и технологии. Накоплен целый ряд разработок на стыке биологии, физики, материаловедения и биомедицины, что таким образом дает начало зарождению и становлению надмолекулярной науки, которая на сегодняшний день является широким мультидисциплинарным и междисциплинарным направлением, создающим весьма плодородную почву для созидательного объединения наук с весьма различными истоками. Первым и наиболее очевидным мотивом к изучению надмолекулярной химии становится намерение синтезировать новые устойчивые, функциональные и технологически важные вещества, имитирующие природные соединения. В природных условиях порядок нанометрового диапазона является ключевым для отличительных свойств и функционального потенциала биологических систем. Вторым толчком служит желание создавать новые синтетические вещества, используя потенциал малых молекулярных блоков, которые бы обладали еще более полезным набором свойств, вытекающим из структуры порядка нанометрового и микрометрового диапазонов. Наконец, необходимость в улучшенной миниатюриации устройств в микроэлектронике стимулирует многочисленные исследования в области надмолекулярной химии.
1.3. Нанотермодинамика
Г. Реза Вакили-Неджаад, Факультет химической технологии, Кашанский университет, Иран, и Факультет нефти и химической технологии, Университет им. Султана Кабуса, Оман
Представлены различные подходы к нанотермодинамике, включая поверхностную термодинамику, неэкстенсивную статистическую механику, теорию нанотермодинамики Хилла и тензорный подход к термодинамике. Рассмотрено развитие нанотермодинамики начиная с первого появления этого термина в литературе и его связь с ранее появившимися теориями по термодинамике малых систем. Связь между нанотермодинамикой и поверхностной термодинамикой, а также неэкстенсивной статистической термодинамикой, основанной на статистике Цаллиса, выявляется на основе концепции потенциала распределения, введенного в теорию термодинамики Хиллом. Экстенсивные и интенсивные термодинамические свойства, которые определяются и истолковываются в традиционной термодинамике Гиббса, модифицируются для того, чтобы они были применимы к малым системам с использованием теоремы Эйлера. Представлены некоторые математические концепции, применяемые в нанотермодинамике. В заключительной части сделаны наиболее важные выводы в отношении теоретической и экспериментальной нанотермодинамики.
1.4. Наноструктуры
Рауль Х. Мартин-Пальма, Отделение прикладной физики, Мадридский автономный университет, Испания
Ахлеш Лахтакиа, Отделение технических наук и механики, Пенсильванский университет, США
Когда одно или больше измерений твердого тела достаточно малы, его физико-химическое поведение значительно отличается от такового больших объемов. С сокращением размера появляются отличные и часто новые электрические, механические, химические, магнитные и оптические свойства. Получающаяся структура является низкоразмерной структурой. Типичные размеры находятся обычно в диапазоне нескольких нанометров. Удержание частиц в низкоразмерной структуре приводит к существенному изменению их поведения и к проявлению новых зависимых от размера эффектов, которые обычно попадают в категорию квантовых размерных эффектов. Наноструктуры – это низкоразмерные структуры. Квантовые размерные эффекты появляются в их электрических, тепловых, магнитных и оптических свойствах, в зависимости от размера, и обусловливают много явлений, ценных в технологическом плане. Для изготовления и характеристики наноструктур были улучшены некоторые старые методы и изобретены новые методы.
1.5. Магнетизм наноструктур
К. Беннеманн, Институт теоретической физики, Свободный университет Берлина, Германия
Представлены характерные результаты исследований магнетизма малых частиц и тонких пленок. Электронные состояния и плотность состояний меняются вследствие пониженной атомной координации в малых кластерах и тонких пленках. Таким образом, затрагиваются магнитные моменты и сам процесс намагничивания. Представлены результаты исследований для единичных кластеров переходных металлов, групп кластеров, а также тонких пленок и туннельных систем.
1.6. Квантовые явления в низкоразмерных системах
Майкл Р. Геллер, Отделение физики и астрономии, Университет Джорджии, США
Представлено краткое введение в физику низкоразмерных квантовых систем. Материал доступен для студентов старших курсов, изучающих физику. По возможности приводятся ссылки на последние обзорные статьи и книги.
1.7. Наносистемы
Ринальдо Псаро и Маттео Гвидотти, Национальный исследовательский центр, Милан, Италия
Майла Сгобба, Центр CIMAINA и отделение неорганической, металлорганической и аналитической химии, Милан, Италия
Неорганические наносистемы определяют как наноразмерные химические объекты, состав которых главным образом неорганический и которые обладают особыми свойствами вследствие квантовых размеров и геометрических эффектов. Имеется два основных пути синтеза, с помощью которых получают нанообъекты: так называемые «восходящий и нисходящий» подходы. Главным образом в последнем методе химия играет уникальную роль в отношении сборки и создания нанометровых единиц из более мелких. Наносистемы можно определить и классифицировать в соответствии с иерархическим порядком размерности. Нульмерные системы включают псевдосферические объекты, такие как нанокластеры и наночастицы, находящиеся на неорганической основе, а также в коллоидных растворах или керамических нанопорошках. Одномерные системы включают основанные на углероде, металлах или оксидах системы, в которых размер по одному измерению намного больше, чем по двум другим, такие как твердые нановолокна, нанопроволоки или наностержни, а также полые нанотрубки. Двухмерными наносистемами считаются кристаллические плоские нанометровые материалы, такие как нанодиски или нанопризмы, и аморфные нанопленки и наномембраны. Трехмерные наносистемы состоят из кристаллических и аморфных наноструктур, таких как нанокристаллы и очень большое разнообразие упорядоченных наноструктурированных пористых материалов. Трехмерные структуры также могут быть созданы из более простых компонентов, таких как наночастицы или наностержни, таким образом получают наночастицы или наностержни, а также сверхструктуры или сверхрешетки с улучшенными качествами.
Описание, синтез, свойства и основное применение в технике и промышленности химических систем в нанометровом масштабе, рассматриваемые обычно в неорганической химии, обобщаются и обсуждаются в данной главе. В конце приводятся некоторые важные аспекты органико-неорганических гибридных наносистем и систем, применяющихся в биохимии, поскольку эти предметы находятся на границе с органической химией и биологией.
1.8. Многослойные магнитные наноструктуры
А.И. Морозов, А.С. Сигов, Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), Россия
Описаны фрустрации обменного взаимодействия между ферро- и антиферромагнитными слоями многослойной магнитной наноструктуры ферромагнетик – антиферромагнетик, возникающие как вследствие шероховатости границы раздела слоев (нескомпенсированная поверхность антиферромагнетика), так и в случае атомно-гладкой границы раздела (скомпенсированная поверхность антиферромагнетика). Исследовано распределение магнитных параметров порядка, возникающее вблизи границы раздела слоев, и получены магнитные фазовые диаграммы «толщина слоев – шероховатость» для двухслойной системы ферромагнетик – антиферромагнетик и спин-вентильной системы ферромагнетик – антиферромагнетик – ферромагнетик.
1.9. Нанотрибология
Энрико Ньекко, Отделение физики, Базельский университет, Швейцария
В последние 20 лет эксперименты, проводимые c помощью атомно-силового микроскопа, дали новое представление о физике единичных неровностей, скользящих по твердым поверхностям. Эти результаты, совместно с дополнительными экспериментами, проводимыми с помощью приборов для измерения поверхностных сил и кварцевых микровесов, открыли сферу нанотрибологии. В то же время, развивающиеся компьютерные технологии позволили сымитировать механические процессы в скользящих контактах, состоящих из нескольких сотен атомов. Атомные процессы нельзя игнорировать при объяснении нанотрибологических экспериментов. Эксперименты на четко определенных поверхностях показывают фактические атомные структуры в силах трения. Глава начинается с введения, посвященного фрикционно-силовой микроскопии, включая тарировку кантилеверных датчиков силы. После обзора моделей контактов и экспериментов в нанометрическом масштабе, мы представляем модель Томлинсона, которая широко используется для объяснения прерывистого скольжения элементарных частиц. Ведется обсуждение замеров трения в атомном масштабе, что выявило важнейшие виды воздействий, такие как супер-смазывающая способность и термическая активация. Возникновение износа в атомном масштабе в последнее время вошло в рамки экспериментального изучения и описывается в последней главе. Также затрагиваются такие важные темы, как рассеяние в микроскопии неконтактных сил и трение на электронном уровне.
2. Нанотехнологии
2.1. Синтез нанофаз
К. Каваллотти, Миланский политехнический университет, Италия
Описаны основные современные методы, используемые в синтезе нанофаз. Сначала рассматривается выращивание квантовых колодцев с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии или металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы. Затем представлены некоторые из методов, определяющих самосборку квантовой проволоки на эпитаксиальных подложках, и возможность их применения в рассматриваемом нанопроизводстве. В заключение рассматривается синтез квантовых точек на основе коллоидной химии и гетероэпитаксиальное выращивание на несопряженных поверхностях.
2.2. Нанонаука и нанотехнологии: механическая обработка в наномасштабе
Марк Дж. Джексон, Центр нанотехнологий Бирка и Центр перспективных технологий производства, Университет Пердью, Уэст-Лафейетт, США
При механической обработке деталей в нано- и микромасштабе фактически срезаемый объем материала может быть ограничен поверхностью заготовки, т.е. только несколькими атомами или слоями атомов. В этом случае проблемы измерения, свойственные данным масштабам, и отсутствие более детальных экспериментальных данных все более ограничивают возможность разработки аналитических и эмпирических моделей по мере того, чем больше исходных предположений должно быть сделано. На основе атомистических моделей контакта может быть изучена динамика локального процесса срезания материала и его воздействия на структуру материала и одновременно на создание новой поверхности. Первые статьи о моделировании вдавливания и срезания материала методами молекулярной динамики (МД) появились в научной прессе в 1989–1991 гг. Разработка процессов механической обработки заготовок в наномасштабе в настоящее время находится в эмбриональном состоянии, но при этом видно определенное продвижение в области механической обработки электронных материалов. В этой главе выдвигаются на передний план современные успехи в механической обработке заготовок в нано- и микромасштабе и повествуется о разработке станков, способных учитывать атомистические особенности поверхности заготовки в подобных масштабах. Также обсуждается использование алмазных микроинструментов в этих исследованиях и сосредотачивается внимание на современном прогрессе в микропроизводстве, в том числе на создании компактных станков настольного типа и сверхустойчивых систем механической обработки. Глава основана на материале, представленном автором на различных международных конференциях, на сообщениях сотрудников и коллег автора в различных международных журналах и на конференциях, а также на материале учебника «Механическая обработка в нано- и микромасштабе» под редакцией Дж. Пауло Давима и Марка Дж. Джексона, изданного ISTE Wiley (Davim J. P., Jackson M. J., Nano and Micromachining, ISTE-Wiley Publishers, London, 2009, ISBN 978-1-84821-103-2). Библиография, содержащаяся в этой главе, представляет собой литературу, которая использовалась при написании данной главы, она также содержится в работе коллег автора и в учебнике под редакцией Давима и Джексона (Davim J. P., Jackson M. J., Nano and Micromachining, ISTE-Wiley Publishers, London, 2009, ISBN 978-1-84821-103-2).
2.3. Химическая теория и расчеты наноуглеродов: фуллерены, нанотрубки и графен
Е.Ф. Шека, Российский университет дружбы народов, Москва, Россия
Фуллерены, нанотрубки и графен образуют особый класс углеродных наноматериалов, отличительной характеристикой которых является неполное ковалентное спаривание их лишних электронов. Термин «лишние электроны» означает превышение числа валентных электронов атомов этих веществ над числом образуемых этими атомами связей. Неполное ковалентное спаривание является следствием превышения расстояния между лишними электронами (атомами углерода) критического расстояния. В рамках однодетерминантного приближения Хартри-Фока, позволяющего наиболее адекватно проследить за поведением этих электронов, неполное спаривание означает наличие остаточной плотности электронов на каждом атоме, формально описываемой спиновой плотностью. Для углеродных систем, основное состояние которых является синглетным, эта спиновая плотность, или, более точно, определяемое ею число эффективно не спаренных электронов на каждом атоме NDA, отражает химическую нанонаука и нанотехнологии восприимчивость атомов. В синглетном состоянии распределения величин NDA по атомам представляет собой «химический» портрет объекта, или карту химической активности вещества. Руководствуясь этой картой, можно уверенно проводить вычислительный синтез производных исследуемых объектов. Именно карта величин NDA является основным количественным показателем различия фуллеренов, нанотрубок и графенов. В статье обсуждаются рассчитанные карты NDA фуллеренов С60 и С70, одностенных нанотрубок разного диаметра, разной длины и разной конфигурационной упаковки {n,m}, листов графена разного размера и формулируется общий подход к рассмотрению химической реактивности веществ с лишними электронами.
2.4. Материалы будущего
Филип Болл, Редактор-консультант, журнал «Nature», Лондон, Великобритания
Новые методы визуализации и манипуляции материей от уровня атомов и выше привнесли элемент рационализации в разработку новых материалов, что позволило создавать материалы для конкретных целей. В частности, эти технические разработки сузили шкалу размеров, в которых должно осуществляться проектирование. Одновременно материаловедение демонстрирует тенденцию от структурных материалов к функциональным: от материалов, играющих пассивную структурную роль (обычно выдерживающих большую нагрузку), к материалам, осуществляющим активную функцию, такую как генерирование электрического тока или закрывание клапана. Это изменение делает материалы все более важными для широкого диапазона технологий, особенно медицины и информационных технологий. Поэтому материалы будущего разрабатываются в ходе совместной работы ученых разных специальностей – от инженеров-электронщиков до химиков и клеточных биологов.
2.5. Структурированные тонкие пленки
Джозеф Б. Геддз (III) и Ахлеш Лахтакиа, Отделение технических наук и механики, Пенсильванский университет, США
Структурированные тонкие пленки представляют собой совокупность нанопроволок, которые могут быть выполнены из множества различных материалов, обычно способом термовакуумного осаждения из паровой фазы на вращающиеся подложки. Криволинейная морфология нанопроволок в составе структурированных тонких пленок определяется движением подложки при производстве. Оптические свойства могут быть подобраны изменением морфологии структурированных тонких пленок. Во многих случаях опытные образцы (прототипы) были выполнены для различных оптических, термических, химических и биологических вариантов применения.
2.6. Нанокомпозиты
Н.А. Степанищев, Факультет специального машиностроения, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия
В настоящее время индустрия нанотехнологий переживает свое стремительное развитие. Одним из наиболее перспективных направлений внедрения нанотехнологий в промышленность является производство композиционных материалов. Нанокомпозиты представляют собой наноматериал, состоящий из двух или большего числа фаз, в котором хотя бы одна из фаз состоит из частиц нанометрового диапозона.
Мировой рынок нанокомпозитов представлен тремя основными сегментами, среди которых керамо-, металло- и полимеро-матричные нанокомпозиционные материалы. Чаще всего в качестве матрицы выступают полимеры. Металлы и керамика используются значительно реже.
Полученные с использованием наноструктур композиты обладают уникальными свойствами: высокими прочностью и пластичностью, высокими каталитическими и магнитными характеристиками, селективной поглощающей способностью, триботехническими свойствами, термо- и химической стойкостью. Подобные характеристики приводят к формированию спроса на нанокомпозиты в разнообразных областях промышленности: судостроении, авиастроении, химии, энергетике, медицине, биологии, экологии и др. Именно наличие потребности в нанокомпозитах со стороны достаточно широкого круга отраслей способствует дальнейшему росту сектора.
Известно, что при создании композитов приходится сталкиваться с существенной разницей свойств матрицы и наполнителя, что не позволяет максимально использовать характеристики более прочного компонента. С появлением нанодисперсных наполнителей стало возможно выравнивание физико-механических свойств основных компонентов композита – матрицы и армирующего наполнителя. Упрочняющее действие наночастиц в полимерах связано не столько с аддитивностью (сложением) механических свойств матрицы и наполнителя по закону Холла–Петча, сколько с воздействием нанонаполнителя на структуру прилегающих к нему слоев матрицы: более плотной упаковкой молекул полимеров, кристаллизацией и текстурированием полимеров, образованием иных кристаллических модификаций полимеров. Повышение удельной поверхности наполнителя (снижение диаметра фуллеренов или нанотрубок) улучшает его взаимодействие с матрицей и свойства композита в целом. Важную роль при этом играет однородное диспергирование (распределение) наночастиц в матрице. Такое диспергирование удается провести лишь при очень низких концентрациях наночастиц (обычно не более 0,5 мас.%). Это стало возможным благодаря очень большой величине удельной площади поверхности нанонаполнителя, которая иногда в зависимости от типа наночастиц превышает 1000 кв.м/г.
Анализ доступной информации по нанокомпозитам позволяет сделать вывод, что данное направление имеет огромные перспективы. На повестку дня выходят задачи, которые еще недавно считались неразрешимыми. Например, ведутся разработки искусственных клапанов сердца по аналогии с природной моделью. Такие клапаны будут сочетать в себе преимущества механических и биологических протезов и иметь практически неограниченный ресурс. Данная структура будет сплетена из нановолокна (пряжа из длинных нанотрубок) с помощью новейщих технологий микротрикотажного производства. С появлением длинных углеродных нанотрубок также прогнозируется создание сверхпрочных канатов, с помощью которых, в частности, станет возможным создание космического лифта, который заменит современный энергоемкий, неэкологичный и весьма опасный способ доставки на орбиту полезного груза.
2.7. Преобразование солнечной энергии в наноструктурированных интерфейсах
Игорь Тюхов, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ), Россия
Использование нанотехнологий открываетширокие возможности для совершенствования процессов преобразования солнечной энергии. Наноструктурированные материалы уже сейчас используются как для прямого преобразования солнечной энергии в тепло, электричество и топливо, так и для непрямого использования солнечной энергии, как, например, в устройствах для получения и хранения водорода или для получения самоочищающихся стекол и покрытий. Велик интерес к специальным физическим эффектам, относящимся к нанометровым масштабам, т.к. эти эффекты приводят к интересным макроскопическим свойствам с широкими областями применения для солнечной энергетики.
Использование нанотехнологий позволяет осваивать новые эффективные и недорогие пути применения солнечной энергии во всех сферах нашей жизни.
2.8. Нанотехнология для очистки сточных вод: краткий обзор
И.Дж. Эль-Салиби, Х.K. Шон, Дж. Кандасами и С. Вигнесваран, Школа гражданского строительства и охраны окружающей среды, факультет машиностроения и информационных технологий, Технологический университет, Сидней, Австралия
Эта глава кратко описывает недавние достижения и применения нанотехнологии для очистки сточных вод. Под общим названием нанотехнологии представлено множество новых процедур для производства нановеществ, в конечном счете используемых для очистки сточных вод. Эти методы простираются от изготовления мембран из нановеществ до использования катализаторов для разложения вредных веществ в воде. Также рассмотрены достижения в исследованиях по использованию металлов, биметаллических наночастиц, смешанных окисей, цеолитов и соединений углерода для очистки сточных вод. Наконец, кратко обсуждается воздействие нанотехнологии на человеческое здоровье и окружающую среду.
3. Приборы и системы
3.1. Системы наноматериалов
Ли Ядон, Университет Цинхуа, КНР
Оксиды – это соединения химических элементов с кислородом, наиболее распространенные вещества в окружающем нас мире (в массовом соотношении), тесно связанные с нашей повседневной жизнедеятельностью. Благодаря присутствию в воздухе 22% кислорода на поверхности металлов или других субстратов обычно всегда существуют оболочки из тонкого оксидного слоя.
Все оксиды с химической точки зрения можно разделить на 2 группы: оксиды основной группы и оксиды побочной подгруппы (оксиды переходных металлов). Свойства оксидов основной группы относительно просты и менее функциональны. Можно привести один простой и очевидный факт: большинство оксидов основной группы бесцветны и обычно представляют собой белый порошок. В то же самое время оксиды элементов побочной подгруппы, являющихся исключительно металлами (переходными металлами), часто цветные (красного, зеленого, желтого, розового и других цветов) и богаты различными полезными функциями, включая сверхпроводимость, полупроводимость, магнитные свойства, флуоресцентные свойства и т.д. Наличие подобных свойств у них обычно связывают с их незаполненными электронными конфигурациями или нестехиометрическими композициями и т.д. Таким образом, они становятся основной изучаемой областью при исследовании новейших оксидных функциональных материалов.
3.2. Наномеханика
М.С. Хлыстунов, Московский государственный строительный университет, Москва, Россия
По мере роста объема исследований и разработок в области нанотехнологий, а также накопления представительных результатов экспериментального подтверждения фантастических перспектив развития наноиндустрии, научное сообщество вплотную подступило к решению проблемы создания принципиально новых инструментов исследования и технологического производства наноматериалов и наноустройств. В связи с этим на первый план были выдвинуты задачи наномеханики, как теоретического, так и практического характера.
В теоретическом плане решение задач наномеханики представляет собой принципиально новое направление теоретической физики, так как объекты наномира расположены между миром элементарных частиц, атомов и молекул, в котором действуют законы квантовой механики, с одной стороны, и макромиром, в котором действуют законы классической механики, – с другой.
3.3. Микроэлектромеханические системы
Фэн Сонлинь, Шанхайский институт микросистемных и информационных технологий (SIMIT), Китайская академия наук, КНР
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – интегрированные устройства или системы, рассматриваемые на микроуровне, которые объединяют в себе механические и электронные компоненты с помощью группового метода изготовления интегральных схем. МЭМС способны обнаруживать, контролировать и активизировать механические процессы для выполнения сложных функций по информатике.
3.4. Наноэлектромеханические системы
Э.Г. Косцов, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Россия
Описываются особенности построения и функционирования наноэлектромеханических систем, (NEMS), как развитие микроэлектромеханических систем (MEMS) – наиболее интенсивно развивающегося сектора современной микроэлектроники. Появление направления NEMS является также следствием общего развития нанотехнологий и разработкой элементов наноэлектроники. Это направление в рамках программ работ по нанотехнологии и микроэлектромеханики в странах Запада входит под названием «наноэлектромеханика», в число наиболее приоритетных технических направлений на ближайшие 5 лет.
К настоящему времени NEМS пока находятся в стадии исследований, известно большое число научных публикаций, посвященных развитию этого направления, но отсутствуют сведения об их коммерческом применении.
В данном разделе рассматривается современное состояние этого направления, широкий спектр его практических возможностей и перспективы дальнейшего развития.
3.5. Нано- и микросистемная техника
К.Г. Потловский, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия
Нано- и микросистемная техника – активно развивающееся направление, создающее функционально законченные нано- и микроразмерные устройства и системы, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
При изготовлении микроэлектромеханических систем используется конструкторский, инженерный и производственный опыт из многих областей техники, в том числе технология изготовления интегральных схем, машиностроение, материаловедение, электротехника, химия и химическое машиностроение, гидротехника, оптика и контрольно-измерительная аппаратура.
Современные МЭМС-устройства используются в автомобилях в качестве акселерометров для датчиков, управляющих раскрытием аварийных предохранительных подушек, в головках струйных принтеров, в считывающих и записывающих головках компьютерных дисководов, микросхемах проекционных дисплеев, измерителях давления крови,
оптических переключателях, микроклапанах, биодатчиках и многих других устройствах, которые изготовляются и поставляются в больших промышленных объемах.
Микроэлектромеханические системы являются одной из наиболее перспективных технологий XXI в., и они произвели революцию в производстве как промышленных изделий, так и потребительских товаров в результате объединения микроэлектронных технологий на основе кремния и технологий микрообработки. МЭМС-технологии и МЭМС-устройства могут оказать большое влияние на наш образ жизни.
3.6. Наноэлектроника
А.С. Сигов, А.А. Щука, Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), Россия
Кратко изложены некоторые направления развития наноэлектроники как новейшего направления в электронике. Приведены основные тенденции развития транзисторов как по традиционной кремниевой технологии, так и в русле последних достижений в нанотехнологиях. Описаны новые, активно развивающиеся направления в наноэлектронике, такие как спинтроника и политроника. Рассмотрена область наноэлектроники, в основе которой лежат технические решения, не связанные с транзисторными структурами.
3.7. Молекулярная электроника и наноэлектроника
Даобэнь Чжу, Институт химии, Китайская академия наук, Пекин, КНР
Молекулярная электроника и наноэлектроника, использующие отдельные молекулы или наноструктуры в качестве активных компонентов электронных устройств, являются многообещающими высокотехнологическими сферами производства, к которым в настоящее время проявляется повышенный интерес. Это сфера науки и техники, связанная с исследованием, разработкой и производством электронных устройств, основанных на молекулярных структурах или наноструктурах. Молекулярная электроника и наноэлектроника послужат серьезным толчком для развития вычислительной техники будущего, выходя далеко за рамки использования обычного кремния. «Электроника единичных молекул», каковой является в конечном итоге молекулярная электроника и наноэлектроника, позволит создать информационные системы с производительностью более чем в 1000 раз мощнее сегодняшних систем, используя при этом менее 1/1000 текущих ресурсов, что удовлетворит возрастающие социальные требования, которые будут предъявляться к высокоэффективным информационным системам в течение нескольких ближайших десятилетий.
Под наноэлектроникой понимают использование нанотехнологий для изготовления электронных компонентов, особенно транзисторов. Хотя термин нанотехнология в общем случае означает использование технологий разработки устройств размером менее 100 нм, понятие «наноэлектроника» часто относится к транзисторным устройствам, которые являются настолько малыми, что возникает необходимость исследования межатомных взаимодействий и квантово-механических свойств подобных устройств. В данной статье будут рассмотрены уникальные материалы и свойства, подобные квантово-электронным перемещениям, для различных структур, таких как молекулярные переключатели, выпрямители, устройства памяти и транзисторы для следующего поколения электронных устройств и схем.
3.8. Наномедицина и медицинские нанороботы
Роберт А. Фрейтас мл., Институт молекулярного производства, Пало-Альто, Калифорния, США
Наномедицина – процесс диагностики, лечения и предупреждения болезней и травм, облегчения боли и сохранения и улучшения здоровья человека с помощью молекулярных инструментов и молекулярных знаний о человеческом теле. В относительно близком будущем наномедицина сможет решать многие важные медицинские проблемы с помощью наноструктурных материалов и простых наноустройств, которые могут быть изготовлены сегодня, включая взаимодействие наноструктурных материалов с биологическими системами. В среднесрочной перспективе биотехнология сделает возможными еще более поразительные достижения в области молекулярной медицины и биологических роботов, в том числе микробиологических биороботов и искусственных организмов. В более отдаленной перспективе, возможно, через 10–20 лет, созданные ранее молекулярные машинные системы и нанороботы станут частью медицинского оснащения, предоставив врачам, наконец, самое мощное средство, какое только можно представить, чтобы победить человеческие болезни, недомогания и старение.
3.9. Наноматериалы и покрытия с антимикробными свойствами
В.И. Беклемышев, И.И. Махонин, ЗАО «Институт прикладной нанотехнологии», Россия
Умберто Орацио Джузеппе Мауджери, Фонд Сальваторе Мауджери, Италия
В статье описан существующий опыт использования антимикробных материалов в медицине, гигиене и косметических средствах, применения антибактериальных текстильных материалов, биоцидных лакокрасочных покрытий на основе принципов, методов нанотехнологии и наноматериалов.
Акцентирована необходимость разработки и производства новых эффективных биосовместимых наноматериалов и покрытий с антимикробными, бактерицидными свойствами, что связано с ростом числа микроорганизмных инфекций, воздействием их на человеческое сообщество, развитием явления антибиотикорезистентности микроорганизмов.
Рассмотрено перспективное направление разработки и применения нанокомпозиций на основе экологичных биосовместимых сорбционных материалов – природных и синтетических полимеров, минеральных глин, использования биологически активных металлов, ионов металлов (серебра, меди, цинка) для модификации (интеркалирования) этих структур.
Показана высокая эффективность и перспективность применения наносистем на основе интеркалированного ионами биометаллов монтмориллонита (природного глинистого минерала) для антибактериальной обработки текстильных изделий, натуральной и искусственной кожи, нетканых материалов, медицинских полимеров, ортопедических изделий, гигиенических и косметических средств, для придания антимикробных и фунгицидных свойств лакокрасочным материалам.
3.10. Детонационные наноалмазы: технология, свойства и применения
А.Я. Вуль, А.Е. Алексенский, А.Т. Дидейкин, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, С.-Петербург, Россия
В статье рассматриваются особенности технологии синтеза, структура, основные свойства и применения детонационных наноалмазов, получаемых посредством взрыва из углерода взрывчатых веществ. Обсуждаются различные модели структуры частиц детонационного наноалмаза, методы, используемые для исследования структуры частиц детонационного наноалмаза, оцениваются потенциальные возможности модификации поверхности этих частиц. Кратко описываются физические и химические свойства детонационных наноалмазов. Дан краткий обзор истории открытия детонационного метода синтеза наноалмазов и развития технологии их производства. Приводится словарь основных терминов. Перечислены основные публикации по вопросам технологии производства и применениям детонационного наноалмаза.
3.11. Наносенсоры – сенсоры на основе металлических и составных наночастиц и наноматериалов
Игнац Цапек, Словацкая академия наук, Институт полимеров, Институт измерений, Братислава, и Тренчинский университет, факультет промышленных технологий, Пухов, Словакия
Нанотехнология – это техника манипулирования материей на наноуровне. Неорганические составные наноматериалы получили распространение благодаря своей химической инертности, отсутствию эффекта вздутия, высокой чистоте и твердости. Разнообразие физических и химических свойств наночастиц полупроводников, благородных и других металлов, а также композитных наночастиц открывает широкие перспективы по их применению в различных областях от оптоэлектроники до сенсоров. Такие наночастицы или их самосборка могут использоваться для различения смесей газов, летучих органических веществ и запахов. Успехи в изготовлении наночастиц из благородных и других металлов привели к появлению наноструктурных материалов с четко определенными свойствами, которые могут использоваться в качестве обычных и биосенсоров. Сочетание металлических и полупроводящих наночастиц с органическими и биологическими материалами (например, красителями, ферментами, нуклеиновыми кислотами или антигенами/антителами) позволяет создавать электрохимические и оптические биосенсоры. Гибридные материалы нанометрового масштаба успешно используются в различных процессах, таких как создание органических и неорганических веществ, выделение нуклеиновых кислот, выделение белка, иммобилизация ферментов. Такие наноструктуры могут быть использованы для построения электронных устройств и сенсоров, потому что равномерные металлические покрытия с малым монодисперсным размером частиц необходимы для оптимизации проводимости наночастиц и для обнаружения изменений проводимости и абсорбции, вызванной адсорбцией изучаемого вещества на металлической наноповерхности. Сильно структурированные группы нуль-размерных и одноразмерных наночастиц не только необходимы для создания устройств, но и позволяют разрабатывать новые композитные свойства. Полупроводниковые наноматериалы, например углеродные нанотрубки и нанопроволока, имеют хорошие перспективы использования в высокочувствительных электронных сенсорах. Для выполнения требований конкретных приложений необходима химическая модификация углеродных нанотрубок. Модифицированные углеродные трубки отличаются от сырья хорошей растворимостью, которая увеличивает диапазон свойств и последующую химическую реакционную способность. Квази-одномерные полупроводниковые наноструктуры – нанопроволока и нанополосы – это важные многофункциональные компоненты для создания различных наносенсоров и наноустройств. Полевой транзистор может использоваться не только в качестве базового электронного устройства, но и как сенсор в разнообразных приложениях. Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) все чаще используются в биологической визуализации и пометке образцов благодаря своим уникальным оптическим свойствам – широкой абсорбции в узком фотолюминесцентном спектре, высокому квантовому выходу, низкому фотообесцвечиванию и сопротивлению химическому разложению. Поверхностная модификация квантовых точек антителами, аптамерами, пептидами и малыми молекулами, связывающимися с антигенами на клетках и тканях-мишенях, привела к разработке чувствительной и узконаправленной визуализации и диагностике, как в лабораторных условиях, так и в живых организмах. Наночастицы благородных металлов необходимых размеров с уникальными физическими свойствами – особенно с цветами, соответствующими их поверхностному плазмонному резонансу, – могут быть прекрасными преобразователями сигнала от биосенсоров и компонентами наноструктур. В частности, наносенсоры на основе поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света позволяют химически описывать нанометровую окрестность золотых наночастиц и измерять колебательный спектр с чувствительностью и продольным разрешением, недостижимым другими способами. Микро- и наноконсоли позволяют в реальном времени проводить измерения физических, химических и биохимических свойств физиологических жидкостей. У мономеров N-изопропилакриламида и его производных были обнаружены новые свойства, зависящие от внешних воздействий, в области критической температуры, выше которой полимерная составляющая выпадает в осадок из раствора и меняет его объем, что может использоваться в различных сенсорах, анализаторах и микрофлюидных приложениях.
4. Политика
4.1. Государственная политика Российской Федерации в области развития нанотехнологий
А.В. Мартыненко, Аппарат Правительства Российской Федерации, Россия
В Российской Федерации «индустрия наносистем и материалов» относится к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники.
Основы государственной политики Российской Федерации в области развития нанотехнологий определены
документом 2007 г. под названием «Президентская инициатива “Стратегия развития наноиндустрии”». В этом документе сформулированы основные задачи развития наноиндустрии в России на ближайшие 10–20 лет. Реализация сформулированных задач должна привести к созданию принципиально нового технологического базиса экономики.
В соответствии с программными документами правительства развитие наноиндустрии в Российской Федерации осуществляется в таких областях, как наноэлектроника, наноинженерия, функциональные наноматериалы и высокочистые вещества, функциональные наноматериалы для энергетики, функциональные наноматериалы для космической техники, нанобиотехнологии, конструкционные наноматериалы, нанотехнологии для систем безопасности.
Важнейшими инструментами государственной поддержки исследований и разработок в области нанотехнологий являются федеральные, региональные, отраслевые и ведомственные целевые программы, предусматривающие финансирование разработок в сфере нанотехнологий и доведение их результатов до
стадии промышленного производства.
Базовым институтом развития инновационных процессов в области наноиндустрии стала созданная в 2007 г. государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» в целях содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии.
Инфраструктурная база сектора наноиндустрии в Российской Федерации формируется в виде национальной нанотехнологической сети, включающей совокупность организаций различных организационно-правовых форм, выполняющих фундаментальные и прикладные исследования, осуществляющих процессы коммерциализации технологий, а также ведущих подготовку соответствующих кадров.
Особое место в названной сети занимает головная научная организация по координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов – национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».
Российская Федерация заинтересована в глобальной интеграции в мировую нанотехнологическую среду, в сотрудничестве в данной области на взаимовыгодных условиях.
|
