ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУР

Основы нанотехнологий, как считает значительное число экспертов, заложены лауреатом Нобелевской премии Р. Фейнманом в 1959 г. в его знаменитой лекции на заседании американского физического общества.

Термин «нанотехнология» или «нанотехнологии» [1] – в дальнейшем был введен профессором токийского университета Норио Танигучи в 1974 г. в контексте обработки материалов путем добавления или удаления атома или молекулы.

В 1981 г. термин был популяризован сотрудником Сандийской национальной лаборатории Э. Дрекслером, использовавшим понятие для обобщения процессов создания материалов, структур и устройств с зернами, слоями и элементами в субстананометровом диапазоне, а также методов их измерения. [2]

В 1869 г. химик И. Борщов высказал гипотезу, что вещество в зависимости от условий может быть получено и в кристалловидном (склонность к образованию кристаллов), и в коллоидном (аморфном) состоянии. Кристаллическое или аморфное состояние вещества зависит, прежде всего, от его собственных свойств, а затем от условий, при которых происходит переход в твердое состояние. Изменяя соответствующим образом условия перехода вещества в твердое состояние, можно получить в кристаллическом состоянии типично аморфные вещества (каучук, клей, стекло) и, наоборот, в аморфном (стеклообразном) состоянии получить типично кристаллические вещества (металлы и поваренную соль).

Поскольку в XIX веке для наблюдения объектов и измерения их размеров существовали только оптические микроскопы, которые не позволяли обнаруживать частицы в коллоидных растворах и зерна в коллоидных веществах, то коллоидными назвали вещества с ультравысокой степенью дисперсности, частицы, волокна, зерна и пленки которых нельзя обнаружить в оптические микроскопы, имеющие разрешение 300 нм при использовании белого света и 150 нм при использовании ультрафиолетового излучения.

В 1892 г. Д. Ивановским была открыта первая биологическая коллоидная частица – вирус мозаичной болезни табака, а в 1901 г. У. Рид выделил первый вирус человека – вирус желтой лихорадки. Следует отметить, что вирусы имеют характерные размеры от 40 до 80 нм.

В 1903 г. Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом был изобретен оптический ультрамикроскоп, имеющий разрешение до 5 нм и позволивший наблюдать коллоидные частицы. Ультрамикроскоп построен на принципе наблюдения в отраженном свете, благодаря чему становятся видимыми более мелкие объекты, чем в обыкновенном микроскопе. С помощью ультрамикроскопа Р. Зигмонди удалось установить, что в коллоидных растворах золота желтого цвета частицы имеют размеры 20 нм, красного – 40 нм, а синего – 100 нм.

В 1904 г. П. Веймарном установлено: Между миром молекул и микроскопически видимых частиц существует особая форма вещества с комплексом присущих ей новых физико-химических свойств – ультрадисперсное или коллоидное состояние, образующееся при степени его дисперсности в области 105–107 см-1, в котором пленки имеют толщину, а волокна и частицы – размер в поперечнике в диапазоне 1,0–100 нм.

Свойства веществ и материалов зависят от их структуры, характеризующейся связанными между собой и влияющими на такие свойства уровнями.

Первый уровень структуры называется кристаллическим и характеризует пространственное расположение атомов, ионов и молекул в кристаллической решетке твердого тела, на которое может накладываться влияние точечных дефектов (вакансий, атомов в междоузлиях, чужеродных атомов). Точечные дефекты подвижны и во многом определяют диффузионные и электрические свойства материалов, особенно полупроводников.

Второй уровень связан с присутствием в твердом теле различных линейных и плоскостных дефектов структуры (дислокаций), число которых в единице объема возрастает при механических нагрузках, приводящих к появлению внутренних напряжений в материале. Подобно точечным дефектам дислокации подвижны, а их плотность и способность к перемещению в твердом теле определяют механические свойства материалов, особенно металлов.

Третий уровень структуры – это объемные дефекты типа пор и капилляров, которые могут создаваться в материалах в процессе их формирования или использования. Они связаны с отсутствием некоторых участков твердого тела.

Все вещества в твердом состоянии можно разделить на монокристаллические, поликристаллические, аморфные или нанокристаллические и молекулярные твердые растворы.

Если упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул или ионов), отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется во всем объеме твердого тела, то образуются монокристаллы.

Если упорядоченность структуры сохраняется в макроскопических (>100 мкм) и микроскопических (>0,1 мкм) участках твердого тела (см.табл. 1), то образуются поликристаллические вещества с так называемыми кристаллитами или зернами кристаллитов соответствующих размеров и пространственно разориентированными друг относительно друга кристаллическими решетками.

До середины 80-х годов прошлого века считалось, что в аморфных веществах отсутствует упорядоченное расположение частиц. Однако проведенные с помощью высокоразрешающих электронных просвечивающих, сканирующих туннельных и силовых атомных микроскопов исследования, особенно на металлических стеклах, позволили обнаружить у аморфных веществ кристаллиты или зерна с размерами в субстананометровом диапазоне.

Наночастицами, кроме механически диспергированных нанопорошков, являются:

1. нанокристаллические зерна;
2. наноразмерные полиморфные фазы;
3. наноразмерные структурные дефекты (наноблоки);
4. поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки, стенки);
5. объемные наноструктуры (поры и капилляры);
6. наноразмерные химические фазы из чужеродных атомов или молекул, сформированные на его поверхности или в объеме и имеющие волокнисто- или корпускулярнообразную форму;
7. наноразмерные структуры, образующиеся в результате физического или химического осаждения из газовой или жидкой фазы (фуллерены, углеродные нанотрубки);
8. пленки веществ наноразмерной толщины, сформированные в периодической последовательности;
9. макромолекулы, полимолекулярные ансамбли, молекулярные пленки, молекулярные комплексы типа "хозяин – гость" (наличие распределения по размерам является признаком, отличающим наночастицы от макромолекул); наноразмерные и наноструктурированные биологические структуры (вирусы, протеины, гены, белки, хромосомы, молекулы ДНК и РНК).

Исследование и изучение наноразмерных и наноструктурированных биологических структур (протеинов, генов, хромосом, белков, аминокислот, ДНК, РНК), являющихся предметом биологии ультрадисперсных систем, привело к созданию в 30–50-х годах вирусологии, в 60-х годах молекулярной биологии и в последней четверти ХХ века генетики и иммунохимии.

Если размеры материала хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, у такого материала появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы, которые изучает и использует для создания новых устройств физика низкоразмерных структур, являющаяся наиболее динамично развивающейся областью современной физики твердого тела.

Результатом исследований низкоразмерных систем (квантовые ямы, провода и точки) стало открытие принципиально новых явлений – целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами.

Область коллоидной химии, изучающая процессы деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, выделилась в физико-химическую механику твердых тел и ультрадисперсных структур. Она сформировалась в середине ХХ века благодаря работам академика П. Ребиндера и его школы как новая отрасль знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физике твердого тела, механике материалов и технологии их производства.

Вместо открытия новых материалов и явлений в результате счастливого случая или хаотических исследований контролируемый перевод вещества в наноструктурированное (коллоидное) состояние, называемый концепцией нанотехнологии, позволяет делать это систематически. Вместо того чтобы находить наночастицы и наноструктуры с хорошими свойствами с помощью интуиции, знание законов образования и стабилизации ультрадисперсных систем открывает возможность их искусственного конструирования по определенной системе.

Методы получения наноструктурированных систем по первому пути называются диспергационными, а по второму – конденсационными. Существуют смешанные методы получения наноструктурированных систем, которые называются соответственно диспергационно-конденсационными и конденсационно-диспергационными.

Обсуждая проблематику нанотехнологий, следует отметить, что важнейшую роль при разработке и коммерциализации нанотехнологий и нанопродукции играет метрология. Точные, достоверные и прослеживаемые измерения являются основой обеспечения успешного и безопасного развития НТ, а также подтверждения соответствия продукции наноиндустрии. В нанотенологиях, как нигде более, актуален тезис: «Если нельзя измерить, то невозможно воспроизводимо производить» [1].

Сравнительно небольшие размеры нанообъектов позволяют использовать атомистическое моделирование для описания образования, структуры и свойств объекта, при котором часто отпадает необходимость применения различных методов описания на разных пространственных и временных масштабах.

Атомистическое моделирование, как правило, основано на первых принципах, что делает этот подход предсказательным и, в известном смысле, независимым от эксперимента источником фундаментальных знаний о структуре, свойствах и функциональных характеристиках нанообъектов.

Нанотехнологии уже применяется промышленно для создания сверхчувствительных нанодатчиков детектирования токсичных химических, биологических, ядерных и взрывчатых веществ, а также композитных материалов, катализаторов, сорбентов, антибактериальных покрытий и косметических препаратов.

Использование нанотехнологией только начинается в биологии, а также в области создания новых электронных материалов и приборов.

Наиболее ранние промышленные применения нанотехнологий в микроэлектронике следует ожидать при создании катодных узлов, дисплеев, особенно на УНТ, и энергонезависимой памяти на магнитных, полимерных и молекулярных наноструктурах.