Нанотехнологии: настоящее и будущее

Старинный собор в немецком городе Кельне

Чтобы ясно представить изменения, происходящие с веществом при переходе в наномир, мысленно разрежем большой куб из чистого золота на восемь равных кубиков. Разумеется, свойства каждого из них останутся теми же, что и были.

Будем таким же образом разрезать наши золотые кубики все дальше и дальше. Даже когда они достигнут микроскопических размеров, свойства их не изменятся. Но так будет лишь до тех пор, пока мы не перейдем через границу наномира и кубики не превратятся в наночастицы. Тогда мы увидим, что цвет золота начнет меняться. Из желтого и блестящего оно превратится в красное, оранжевое, зеленоватое, в зависимости от размеров кубика.

Объясняется это тем, что общая поверхность частиц при измельчении до наноразмеров увеличивается в миллионы раз. Вместе с этим возрастет и химическая активность золота, а также изменятся его оптические свойства. Оно будет плавиться уже при другой температуре, иначе проводить электричество, изменится его твердость. Но самое интересное, что вступит в права совсем другая физика, квантовая, при которой свойства веществ изменяются дискретно, то есть скачками, неделимыми порциями, квантами.

И такие превращения будут происходить с любым материалом: железом, медью или свинцом. Но интересно, что при соединении частиц вместе нанозолото снова превратится в обычное, со своими прежними свойствами.

Чудеса нанотехнологий

Поведать об удивительных свойствах наночастиц всех веществ в коротком рассказе невозможно. Для этого понадобилась бы большая, толстая книга. Исследованием свойств наноматериалов занимаются целые институты и крупные фирмы. Способы производства и применения таких материалов получили название нанотехнологий.

Кто же не знает, что вода, обработанная серебром, говоря другими словами, содержащая наночастицы серебра, может храниться, не портясь, годами и даже становиться целебной? При этом, уничтожая микробы и вирусы, серебряные наночастицы ничуть не повреждают человеческий организм, для него они безвредны. И самое замечательное, что с течением времени эти частицы никуда не деваются, не исчезают, а их защитная сила остается прежней.

Бактерицидная ткань с серебряными нанопроволочками, уничтожающими болезнетворные бактерии и вирусы

Давно возник вопрос: нельзя ли с помощью наночастиц серебра усилить действенность различных косметических и гигиенических средств? Оказалось, что можно. Появились зубная паста, кремы и шампуни с серебряными наночастицами, лучше очищающие, сильнее смягчающие.

Было выяснено также, что ткань, в которую добавлены наночастицы серебра, сама себя очищает, дезинфицирует. Значит, если из такой ткани пошить медицинские халаты, то они всегда будут оставаться стерильными. Да и не только они. Из подобной же наноткани можно изготавливать больничное постельное белье, полотенца, занавески. Очень важно, что при стирке этих вещей наночастицы не вымываются, остаются и продолжают обеспечивать стерильность.

Но и это еще не все. Уже существуют специальные бактерицидные аэрозоли с серебряными наночастицами. Они намного эффективнее других химических средств для обработки бытовых предметов и вещей из стекла, керамики, дерева и к тому же безвредны.

Нанотехнологи разработали специальные дезинфицирующие нанокраски для окрашивания стен больничных помещений, где требуется особая чистота. Созданы также угольные фильтры с наночастицами серебра для очистки воды, действующие долго и надежно.

Вот какими ценными свойствами обладают серебряные наночастицы, защитники от болезнетворных микробов и вредных веществ. Но есть и другие защитники.

Химическое соединение цинка с кислородом, оксид цинка, отличается тем, что его наночастицы способны поглощать различные виды электромагнитного излучения: радиочастотное, микроволновое и др. Стекла солнечных очков с наночастицами оксида цинка надежно защищают от ультрафиолетовых лучей. А одежда, изготовленная из материалов с теми же частицами, не только послужит преградой для ультрафиолета, но и защитит от перегрева.

Уникальными свойствами обладают и наночастицы диоксида кремния (химического соединения кремния с кислородом). Достаточно покрыть, например, стену этим веществом, и она становится самоочищающейся: грязь к ней уже не пристает.

Можно сделать незагрязняющейся и одежду, обработав ее раствором с наночастицами диоксида кремния. После обработки этим составом жир, мороженое или пролитое по неосторожности кофе не смогут оставить пятен на платье, рубашке или костюме.

И это только три примера удивительных свойств частиц из наномира.

Одежда, сшитая из наноткани, созданной в Англии, вырабатывает электричество. Оно возникает при трении нановолокон друг о друга и может быть использовано, например, для обогрева

Рождение невидимок

Но как получить наночастицы, как их изготовить? Ученые придумали ряд способов. И хотя они разные, их можно свести к трем основным.

Первый способ заключается, говоря упрощенно, в том, что исходные материалы измельчают подобно тому, как зерно перемалывают в муку. Образовавшаяся «наномука» и есть масса наночастиц. Это наиболее простой способ. У него есть научное название – диспергационный метод.

Но дробить вещество можно не только механически. Российские нанотехнологи предложили другой способ измельчения: мощным электрическим разрядом, электрическим импульсом, как говорят физики. Для этого тонкая металлическая проволока закрепляется между двумя электродами. На них подается электрический ток. Проволока взрывается и превращается во множество наночастиц.

В этом аппарате наночастицы получаются при помощи электровзрывов:

1 – камера, заполненная гелием; 2 – электроды; 3 – проволока

Третий способ называется конденсационным. И это очень точное название. Слово «конденсация» в переводе с латинского означает «уплотнение» или «сгущение». Как конденсирует, сгущается водяной пар, превращаясь в воду, знает каждый. Если подержать холодное стекло над кипящей водой, на нем появятся мелкие капельки. Вода в результате конденсации пара распалась на множество маленьких частиц.

Подобным же образом можно получить и наночастицы. Для этого исходное вещество сначала нагревают, расплавляют и, наконец, испаряют. Затем этот пар резко охлаждают. Он конденсируется и превращается в наночастицы, подобно тому как превращается в капельки сгустившийся водяной пар.

Правда, состояние образовавшихся наночастиц неустойчиво. Если не принять мер, не законсервировать их, то они начнут слипаться и в конце концов превратятся в прежний сплошной материал.

Надо сказать, что то же самое может произойти и с наночастицами, полученными механическим и электрическим способами. Как только рождение наночастиц заканчивается, равновесие самопроизвольно нарушается, они начинают срастаться, укрупняться, и материал возвращается в свой первоначальный вид.

Впрочем, способ борьбы с этим явлением существует, и его применяют на практике. Состоит он в том, что в массу образовавшихся наночастиц добавляют так называемый стабилизатор, например раствор белков, молекулы которых покрывают поверхность наночастиц и тем самым препятствуют их укрупнению. А изменяя состав стабилизатора, можно получать наночастицы требуемого размера.

Американцы изобрели еще один способ получения наночастиц, можно сказать, экзотический: с помощью микроорганизмов, живущих на листьях фигового дерева, или инжира. Нанотехнологи поместили эти микробы в специальный раствор. Живя в нем, бактерии создавали наночастицы. Найдет ли этот диковинный метод широкое применение, пока не ясно.

Открытие фуллеренов

Издавна были известны два вида углерода – графит и алмаз. Первый состоит из плоских слоев, лежащих один на другом, как карты в колоде. В каждом слое связи между атомами очень прочны, но сами слои соединены довольно слабо, легко сдвигаются и ломаются.

Вот почему графит так широко используется для изготовления карандашей. При трении о бумагу графит на кончике карандаша отслаивается и оставляет на бумаге след в виде надписей или рисунков. По той же причине графит иногда применяют в качестве смазки трущихся частей машин и механизмов. Иное дело алмаз – самое твердое и самое прочное вещество в природе. Его атомы группируются так, что образуется необычайно крепкая кристаллическая решетка.

Когда в 1985 году стало известно, что группе химиков (американцам Ричарду Смолли, Роберту Керлу и англичанину Гарольду Крото) удалось открыть новую разновидность углерода, это стало настоящей сенсацией. Некоторые ученые даже отказывались верить удивительному сообщению, считая, что произошла какая-то ошибка. Однако повторные исследования других ученых подтвердили открытие, и десять лет спустя Смолли, Крото и Керл были удостоены Нобелевской премии.

Молекула этой ранее неизвестной разновидности углерода имела кристаллическую решетку, состоящую из 60 атомов. По виду молекула сильно отличалась от известных и напоминала футбольный мяч, сшитый из многогранных лоскутков кожи.

Ричард Смолли

Роберт Керл

Гарольд Крото

Новый вид графита был назван фуллереном в честь архитектора Ричарда Фуллера, который первым спроектировал и построил купол здания, похожий по своей конструкции на молекулу вещества, открытого нобелевскими лауреатами.

Для нанотехнологий открытие ученых-химиков имело огромное значение. Фуллерены – это наночастицы, обладающие некоторыми чертами графита и алмаза, но имеющие и свои, очень ценные, особенности.

Стали известны фуллерены не только шарообразные, но и в форме дыни, построенные из 70–80 атомов. Из веществ, содержащих фуллерены, нанотехнологи научились изготавливать полимеры, очень прочные пленки. Кристаллы (фуллериты) нашли применение в электронике, в компьютерах.

А вскоре были открыты еще более удивительные наночастицы углерода, родственники фуллеренов. Произошло это в 1991 году. Исследуя сажу, которая появлялась после электродугового разряда на электроде, японский ученый Сумио Ииджима увидел незнакомые частицы в виде трубок с закругленными концами и сетчатыми стенками.

Фуллерены удивительно похожи на футбольный мяч

Это были углеродные нанотрубки, диаметром всего около одного нанометра (то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса) и длиной несколько сотых миллиметра. Оказалось, что они бывают однослойными и многослойными, как бы вставленными одна в другую, состоят из нескольких миллионов атомов и обладают просто фантастическими свойствами.

Во-первых, поражает их прочность. Они раз в сто прочнее самой лучшей стали, но при этом гибкие и намного легче. На нити из нанотрубок можно подвесить автобус вместе со всеми пассажирами. Было также подсчитано, что трос из нанотрубок, опущенный на Землю из стратосферы с высоты 15 километров, не разорвется от собственного веса, что непременно случилось бы, будь этот трос сделан из любого иного материала. Считается, что нанотрубки – рекордсмены прочности и что прочнее материала создать просто невозможно.

Японский ученый Сумио Ииджима, открывший углеродные нанотрубки

Нанотрубки могут быть не только отличными проводниками электричества, но и полупроводниками, а значит, просто бесценными материалами в электронике.