Современные материалы и технология их производства

Сверхпроводящие материалы и технология их производства

Из всех чистых металлов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, наивысшую критическую температуру перехода имеет ниобий (Тк = 9,2 К). Однако для ниобия характерны низкие значения критического магнитного поля (около 0,24 Тл), что недостаточно для его широкого применения. Хорошим сочетанием критических параметров Тк и Вк отличаются сплавы и интерметал-лидные соединения ниобия с цирконием, титаном, оловом и германием.

При изготовлении сверхпроводящего кабеля в бруске меди просверливают множество отверстий и в них вводят тонкие Nb – Ti стержни. Брусок протягивают в тонкую проволоку, вновь разрезают ее на куски, которые снова вводят в новые бруски. Повторяя многократно эту операцию, получают кабель с большим числом сверхпроводящих жил, из которого делают катушки для электромагнитов (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1.– Поперечное сечение многожильного сверхпроводящего композита с 361 ниобий-титановой жилой в медной матрице

Если в какой-либо жиле сверхпроводимость случайно нарушится, то высокая электро- и теплопроводность медной матрицы дает возможность осуществить термическую стабилизацию сверхпроводника в докритическом режиме [7].

НАНОМАТЕРИАЛЫ

Нанотехнология возникла вследствие революционных изменений в ин­форматике [15]. В 1947 г. был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Одновременно возрастали бы­стродействие и объем запоминающих устройств. Так, плотность записи на же­стких магнитных и оптических дисках в настоящее время уже достигает 1 гига- бит/кв. дюйм. Следовательно, в полупроводниковых технологиях уже более по­лувека происходит непрерывная революция.

По мере приближения размеров полупроводниковых устройств к 1 мик­рону (1 мкм = 10^-6 м) в них начинают проявляться квантово-механические свой­ства вещества, т.е. необычные физические явления (типа туннельного эффекта).

Одлако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному револю­ционному прорыву в области информационных технологий. Уже сейчас в нано­технологии получен ряд важных результатов, позволяющих надеяться на суще­ственный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т.п.). Напри­мер, при переходе к нанометровому диапазону (т.е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изме­няются существенным образом. Эго такие характеристики как электропровод­ность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т.п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии и эколо­гически безопасных продуктов. Возможно, производство дешевых, энергосбе­регающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным следствием внедрения нанотехнологий.

Нанотехнология — это символ третьей научно-технической революции, которая преобразует мир уже в самое ближайшее время.

Нанотехнология — это искусство создания новых процессов, отдельных изделий и систем путем осмысленного использования физических и химических явлений, описывающих природные процессы взаимодействия отдельных ато­мов и молекул. Свойства объектов, имеющих размеры менее 100 нм, нельзя описать методами классической физики. Например, при диаметре проводника менее 100 нм перестает «работать» закон Ома, основывающийся на представ­лении электрона элементарной частицей. При столь малых диаметрах провод­ника за счет поперечного квантования продольное сопротивление пропадает, исчезает диссипация. Здесь электрон необходимо рассматривать не как эле­ментарную частицу, а как электромагнитную волну. Все процессы в нанотех­нологии описываются исключительно квантово-механическими законами.

Нанотехнология сегодня — это:

-новые материалы с уникальными свойствами, существенно превосходя­щими традиционные;

-новые сверхминиатюрные и одновременно сверхмощные по быстродей­ствию и памяти компьютеры;

-новые средства дистанционного контроля за состоянием здоровья людей, профилактики и лечения больных, в том числе внешние и «вживляемые» ми­ниатюрные и быстродействующие биодатчики;

-новые энергетические системы, включая топливные и солнечные элемен­ты нано-, микро- и мегамощности;

-новые виды специальной техники различного применения;

-энергосберегающие источники света и дисплеи;

-системы преобразования социальных условий жизни и работы людей.

Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое каче­ство или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти обра­зования относят к наноматериалам, а технологии их получения и обработки — к нанотехнологиям. Подавляющее большинство новых физических явлений на наномасштабах происходит из волновой природы частиц (электронов и т.д.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики [13].

Слово «нано» (от греческого nanos-карлик) используется как приставка для образования долевых единиц, равных одной миллиардной доле исходных величин. Например, один нанометр равен 10^-9 м, одна наносекунда — 10^-9 с и т.д.

Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехно­логиям (Висбаден, 2004 г.), выделяют следующие типы наноматериапов: нанопористые структуры; наночастицы; нанотрубки и нановолокна; нанодисперсии (коллоиды); наноструктурированные поверхности и пленки; нанокристаллы и нанокластеры.

Последние представляют собой частицы упорядоченного строения разме­ром от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов. Собственно, наночастицы диа­метром от 5 до 100 нм состоят из 10³-10⁶ атомов.

Применимость того или иного материала в конструкции определяется комплексом свойств, включающим соотношение между прочностью (предел текучести и предел прочности) и пластичностью (относительная равномерная деформация, полное относительное удлинение до разрушения), а также вяз­кость разрушения и другие свойства. На рис.6.1 приведена классификация ве­ществ и материалов по размеру частиц (D), или зерен.

Рис. 6.1. Классификация веществ и материалов по размеру D частиц (зерен) [13]

Наноматериапы классифицируют также по геометрической форме и раз­мерности структурных элементов, из которых они состоят. Основными типами нанокристаллических материалов по размерности являются кластерные мате­риалы, волоконные материалы, плёнки и многослойные материалы, а также по- ликристаллические материалы, зёрна которых имеют сравнимые размеры во всех трёх направлениях (рис. 6.2). В данном пособии рассматриваются методы получения, структура и свойства объёмных («bulk») и дисперсных веществ и материалов с размером частиц от 5 до 200-300 нм, т.е. нанокристаллических и субмикрокристаллических.

Малые атомные агрегации (кластеры) являются промежуточным звеном между изолированными атомами и молекулами, с одной стороны, и массивным (объёмным) твёрдым телом, с другой стороны. Переход от дискретного элек­тронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молеку­лам, к зонному электронному энергетическому спектру, характерному для твёрдого тела, происходит через кластеры.

Рис. 6.2. Типы нанокристаллических материалов:

OD - (нульмерные) кластеры, ID — (одномерные) нанотрубки, волокна и прутки, 2D - (двумерные) плёнки и слои, 3D - (трёхмерные) поликристаллы

Основной проблемой при внедрении нанотехнологий в промышленность является на данном этапе не столько получение новых материалов, сколько раз­витие методов их обработки. Например, уменьшение размеров кристаллическо­го зерна материала в 10 раз приводит к увеличению прочности материала при­мерно в три раза, при дальнейшем уменьшении зерен наблюдается так назы­ваемый эффектом сверхпластичности и т.п. Исследование материалов с нано- размерными зернами потребует также изменения освещенности при работе с обрабатываемой поверхностью.

Многие нанокристаллические вещества обладают особыми характери­стиками (повышенной прочностью, легкостью, странной окраской и т.д.). Осо­бую роль нанозернистость играет в материалах для магнитной записи (размер зерен определяет плотность записи), в специальных пленках, покрытиях, так называемых «биосовместимых» веществах и т.п. Обработка поверхности объ­ектов с нанометровой точностью является очень непростой задачей, но именно такая обработка зачастую и обеспечивает требуемые функциональные характе­ристики (например, оптические). В частности, обработка играет важнейшую роль при создании многих описанных выше устройств и биодатчиков.

Предполагаемые экономические, технические и социальные последствия развития нанотехнологии показаны в таб.6.1.

В настоящее время изучаются двумерные процессы образования и осаж­дения (или, наоборот, отделения) кристаллов из наночастиц и нанокластеров разного типа (металлы, керамика, стекла и т.п.) и изучаются характеристики поведения образующихся поверхностей при низких температурах, в каталити­ческих реакциях и т.п. Уже найдены целые классы материалов с перспектив­ными оптическими и механическими свойствами (например, наностекла и т.д.). Обнаружено, что многослойные нанопокрытия (толщиной в несколько нм) об­ладают высокой коррозионной стойкостью и твердостью, а многослойные на­нопленки сложного вида имеют неожиданные магнитные свойства. Подобные покрытия были использованы при реставрации исторических памятников Санкт-Петербурга к 300-летию города. Внешне незаметные покрытия нанопленок позволили приостановить разрушение многих памятников архитектуры. Образование структур из нанокристаллических зерен позволяет придавать ма­териалам новые свойства.

Таблица 6.1

Возможности нанотехнологии в обработке материалов

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Многообразная природа углеродной связи позволяет углероду образовы­вать одни из наиболее интересных наноструктур, а именно углеродные нанот­рубки. Потенциал использования углеродных нанотрубок превосходит потен­циал многих других наноструктур.

Для понимания природы углеродной связи необходимо рассмотреть элек­тронную структуру атома углерода. Твердый углерод имеет две стабильные при комнатной температуре формы, называемые аллотропными модификациями, — алмаз и графит. Алмаз состоит из атомов углерода, тетраэдрически связанных друг с другом посредст­вом хр-гибридизированных связей, образующих трехмерную сетку. У каждого атома углерода — четыре ближайших соседа. Графит имеет слоистую структу­ру, причем каждый слой образован шестиугольниками из атомов углерода, свя­занных посредством хр-гибридизированной связи, угол между которыми со­ставляет 120°. У каждого атома углерода есть три ближайших соседа в плоско­сти слоя. Эти гексагональные слои связаны друг с другом относительно слабы­ми силами Ван-дер-Ваальса.

Фил Итон из Чикагского университета (США) синтезировал квадратную молекулу C₄H₄, представленную на рис. 6.2 а, названную кубаном. Л. Папетт из университета Огайо в 1983 г. синтезировал молекулу С₂₀Н₂₀ додекаэдрической формы (рис. 6.2. б), образованную соединением пятиугольников из угле­рода с углами между С — С-связями, составляющими от 108° до 110°.

Рис. 6.2. Структура молекулы: а) кубической С ₄ Н ₄ б) додеказдрической С₂₀Н₂₀

Синтез этих углеводородных молекул с углами, отличными от стандарт­ных углов гибридизации, был важным шагом на пути создания углеродных на­ноструктур, также требующих различных углов между связями.

Углеродные кластеры

Для получения кластеров углерода используют лазерное испарение угле­родной подложки в потоке гелия. Пучок электронных кластеров фотоионизируется ультрафиолетовым лазером и анализируется масс-спектрометром. При ко­личестве атомов N менее 30 образуются кластеры со всеми значениями N, хотя некоторые пики заметнее других. Вычисления структуры малых кластеров ме­тодом молекулярных орбиталей показывают, что такие кластеры имеют линей­ную или замкнутую неплоскую моноцикличную геометрию (рис. 6.3).

Линейная структура с ip-гибридизацией наблюдается при нечетных зна­чениях N, циклическая — при четных. Открытые структуры из 3, 11, 15, 19и23 атомов со стандартными углами наиболее заметны на спектре и, следовательно, более стабильны. Замкнутые структуры имеют углы между углеродными свя­зями, отличающиеся от предсказаний обычной теории гибридизации.

Рис.6.3.Некоторые примеры структур малых углеродных кластеров.

Фуллерены

Открытие молекулы, похожей на футбольный мяч и состоящей из 60 ато­мов углерода, произошло при изучении поглощения света межзвездной пылью, т.е. малыми частицами вещества, находящимися в межзвездном и межгалакти­ческом пространстве. При прохождении света удаленной звезды через космиче­ское пространство его интенсивность уменьшается. Это явление называется оптическим поглощением и происходит вследствие поглощения и рассеяния света на межзвездной пыли, находящейся на пути распространения света от звезды к Земле. Похожую на футбольный мяч молекулу из 60 атомов углерода с химической формулой С₆₀ химики-теоретики пред­сказывали давно, но никаких доказательств ее существования обнаружено не было. Ее назвали фуллереном по имени архитектора и изобретателя Р. Бакминстрера Фуллера, сконструировавшего геодезический свод, напоминающий структуру C_6o (рис. 6.3).

Поскольку С ₆₀ растворим в бензоле, его монокристалл можно вы­растить при медленном выпаривании раствора С ₆₀ в бензоле. Вследствие высокой симметричности и замкнутости всех связей молеку­лы С ₆₀ обладают высокой термической стабильностью (~ 1500 °С в инертной среде). Однако во внутреннюю полость (диаметром - 0,1 нм) можно помес­тить различные атомы и малоатомные молекулы, а снаружи возможны хими­ческие реакции присоединения других групп.

Рис.6.4. Структура молекулы фуллерена С ₆₀

Эндоэдральные комплексы обозначают формулой М _m-С _n , где М — ин­капсулированный атом, а индексы m и n указывают на число атомов внутри фуллерена и в его оболочке соответственно. Перспективно их применение в химии, биологии, медицине, электронике, энергетике. По ряду причин наи­больший интерес представляют эндоэдральные металлофуллерены.

Для получения эндоэдральных комплексов в основном используют электродуговую (введение в электроды металла, инкапсулируемого в углеродлую молекулу) и ионно-лучевую (бомбардировка быстрыми ионами выбранных ме­таллов) технологии синтеза.

К настоящему времени удалось синтезировать эндофуллерены, содер­жащие атомы более двух десятков видов и еще несколько десятков комплексов с внедренными малоатомными молекулами. Трудной задачей, несколько сдер­живающей применение эндофулперенов, является выделение инкапсулирован­ных молекул из общей массы обычных фуллереновых.

Еще более разнообразные свойства имеют молекулы Cm, форма которых напоминает дыню или мяч для регби. Их также можно модифицировать, поме­щая атомы или молекулы внутри или «пришивая» их снаружи.

На основе фуллеренов уже синтезировано несколько тысяч новых соеди­нений. В отличие от других углеродсодержащих молекул фуллерены обладают большим числом эквивалентных центров, а следовательно, богатой изомерией производных. Присоединить к наружной стороне молекулы фуллерена можно как отдельные атомы, так и их группы. Однако наибольший интерес представ­ляет «пришивка» органических молекул, что позволяет фуллереновые молеку­лы (чаще всего Сбо) сделать высокоселекгивными к определенным химическим реагентам, реакциям или физическим воздействиям.

НАНОТРУБКИ

В 1993 г. было открыто явление фотополимеризации в С ₆₀ . В разных ус­ловиях освещения возникают разнообразные полимеризованные структуры (от димеров до цепных и сетчатых структур). Облучение потоком электронов, на­грев в сочетании с высоким давлением (до 10 ГПа) также приводит к полимери­зации и образованию новых фаз.

В 1991 г. [13] в продуктах электродугового испарения графита были обна­ружены нанотрубки. По структуре наиболее простыми являются одностенные нанотрубки (ОНТ) (рис. 6.5), существование и свойства которых предсказыва­ли задолго до фактического получения.

Структуру одностенных нанотрубок можно представить путем сворачи­вания графенового листа (слой графита моноатомной толщины) вдоль той или иной кристаллографической оси. Электронные и колебательные свойства ОНТ существенно зависят от взаимного направления базисного векгора гексагональ­ной решетки и оси трубки. Направление задает так называемую «хиральность», т.е. скрученность графенового листа в структуре ОНТ. Изменяя хиральность, можно менять ширину запрещенной зоны и получать квазиодномерные прово­локи с металлическим или полупроводниковым типом проводимости. Обычно диаметр ОНТ составляет 1-2 нм, а длина колеблется от сотен нанометров до де­сятков микрометров. В аккуратно выращенных ОНТ один структурный дефект приходится примерно на 4 мкм длины, т.е. на 1012 атомов углерода, что значи­тельно меньше, чем в самых совершенных монокристаллах кремния.

б

Рис. 6.5. Схема строения некоторых фуллереновых структур: а) фуалерен С ₆₀

б) однослойная нанотрубка с закрытым торцом

Структуру одностенных нанотрубок можно представить путем сворачи­вания графенового листа (слой графита моноатомной толщины) вдоль той или иной кристаллографической оси. Электронные и колебательные свойства существенно зависят от взаимного направления базисного векгора гексагональ­ной решетки и оси трубки. Направление задает так называемую «хиральность», т.е. скрученность графенового листа в структуре .

Двустенные нанотрубки тоже обладают интересными свойствами, при­чем они предсказываются даже лучше, чем для одно- и многослойных. Специ­альными катализаторами добиваются выхода двухслойных трубок более чем 95 % от массы получаемого продукта.

Разработаны методы синтеза не только углеродных, но и нанотрубок из других атомов с полезными свойствами.

Так, в двухслойных BN-нанотрубках был обнаружен гигантский эффект Штарка (расщепление спектральных линий во внешнем электрическом поле). Используя этот эффект, можно уменьшить или даже устранить в электронном спектре запрещенную зону и превратить трубку из диэлектрической в металли­ческую. Фактически это дает возможность сконструировать высококачествен­ный полевой транзистор в объеме несколько кубических нанометров.

Многостенные трубки, в отличие от одиостенных, сложнее по структуре и обычно содержат больше различных дефектов. Их внешний диаметр может варьироваться в диапазоне от единиц до десятков нанометров, а длина - от до­лей до единиц микрометров. Внутренний диаметр обычно составляет 1-2 нм. Отдельные слои могут образовывать в поперечном сечении коаксиальные ци­линдры, свиток или чешуйки (рис. 6.6).

Рис.6.6.Модели поперечного сечения многослойных трубок:

а) «русская матрешка»; б) свиток; в) «папье-маше»

Различают открытые на концах и закрытые (половинками сфероидных фуллеренов) нанотрубки, обладающие ценностью для разных приложений.

Первоначально фуллерены и нанотрубки получали методом электродугового или лазерного испарения графита и последующей конденсацией в среде инертного газа (рис. 6.7).

Рис.6.7.Получение нанотрубок лазерного и электродугового испарения с последующей конденсацией в среде инертного газа.

Различные режимы процесса позволяют получать наноструктуры с выхо­дом до 25-40 % общей массы, в случае лазерной технологии и до 90 % и производительностью — 10 г/ч. Предложены также методы переработки углеродсо­держащего сырья в нанотрубки, использующие солнечную энергию (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Получение нанотрубок с использованием солнечной энергии

Намного большая производительность и выход нанотрубок возможны при каталитическом пиролизе газообразных углеводородов и последующем химическом осаждении из пара. Эта технология заключается в продувании че­рез вращающуюся трубчатую печь с температурой 500-800 °С этилена, ацети­лена, метана, природного газа или другого углеводородного сырья (рис.6.9).

Рис. 6.9. Получение нанотрубок методом каталитического пиролиза газофазных продуктов

Применение углеродных нанотрубок

Многие перспективные направления в нанотехнологии связываются с углеродными нанотрубками - большими (иногда и гигантскими) молекулами, со­стоящими исключительно из атомов углерода. Углеродные нанотрубки - это протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с ато­мами углерода в узлах. Главная особенность этих молекул - их каркасная фор­ма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки. Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спираль­ные. В настоящее время наиболее распространённым методом получения на­нотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. При горении плазмы происходит интенсивное терми­ческое испарение анода. На торцевой поверхности катода образуется слой из углеродных нанотрубок. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской по­верхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных на­нотрубок из атомов углерода.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же ато­мов углерода, потому что в графите атомы углерода находятся в листах. Нанот­рубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей. Модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает 1-5 ГПа, что на по­рядок больше, чем у стали. Нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с челове­ческий волос способна удерживать груз в сотни килограммов.

Несмотря на то, что нанотрубки только начинают использовать, уже сей­час в продаже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотруб­ками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют нанотрубки и в деталях спортивных велосипедов.

Необычные электрические свойства нанотрубок могут сделать их одним из основных материалов наноэлектроники. Созданы опытные образцы транзи­сторов, состоящие из одной нанотрубки, ведь прикладывая напряжение в не­сколько вольт, можно изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков. Необычные свойства углеродных нанотрубок допускают множество возможных применений: от электродов батареек до электронных устройств и армирующих волокон для получения более прочных композитов.

Для реализации этого потенциала необходимо разработать технологию крупномасштабного производства однослойных нанотрубок.

Компьютеры. Возможно конструирование полевых транзисторов, яв­ляющихся переключающими элементами в компьютере, на основе полупровод­никовых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода .При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является кремниевая подложка, по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. Если ток течет, элемент находится в состоянии «включено», в противном случае - в состоянии «выключено». Обнаружено, что небольшое напряжение на затворе может изменить проводимость нанотрубки более чем в 10^б раз, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов.

Время переключения такого устройства будет очень маленьким, а воз­можная тактовая частота оценочно может составить 10¹² Гц, что в 1000 раз бы­стрее существующих процессоров. Золотые исток и сток можно сформировать методами нанолитографии, диаметр соединяющей их нанотрубки составит око­ло одного нанометра. Такие малые размеры позволят в перспективе поместить на чип большее количество переключателей. Пока такие устройства делаются в лабораторных условиях поштучно.

Основной целью разработчиков компьютерной техники является увели­чение количества переключателей на чипе. Для этого необходимо использовать переключатели меньшего размера, более тонкие соединяющие их проводники и более плотлую упаковку элементов на чипе.

Другой активно развиваемой идеей является создание компьютера из на­нотрубок. Компьютер был бы массивом параллельных нанотрубок на подлож­ке, над ними с небольшим промежутком располагался бы массив нанотрубок, перпендикулярных нижним. Каждая трубка соединялась бы с металлическим электродом. Точки пересечения являлись бы переключателями компьютера. Топливные элементы. Углеродные нанотрубки могут быть использова­ны при изготовлении батареек. Литий, являющийся носителем заряда в некото­рых батарейках, можно помещать внутрь нанотрубок. Считают, в трубке можно разместить один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другой воз­можный вариант использования нанотрубок - хранение в них водорода, что может быть использовано при конструировании топливных элементов как ис­точников электрической энергии в автомобилях.

Химические сенсоры. Полевой транзистор, сделанный на полупроводящей хиральной нанотрубке, является чув­ствительным детектором различных газов. Полевой транзистор помещался в сосуд емкостью 500 мл с выводами электропитания и двумя клапанами для ввода и вывода газа, омывающего транзистор. Протекание газа, содержащего от 2 до 200 ppm NO₂, со скоростью 700 мп/мин на протяжении 10 минут привело к трехкратному повышению проводимости нанотрубки. При связывании NOj с нанотрубкой заряд переносится с нанотрубки на группу NO₂, увеличивая кон­центрацию дырок в нанотрубке и ее проводимость.

Катализ. Катализатором называется вещество, обычно металл или сплав, увеличивающее скорость протекания химической реакции. Для некото­рых химических реакций углеродные нанотрубки являются катализаторами. Например, многослойные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами рутения имеют сильный каталитический эффект на реакцию гидрогенизации коричного альдегида в жидкой фазе по сравнению с эффек­том того же рутения, находящегося на других углеродных субстратах.

Механическое упрочнение. Использование длинных углеродных воло­кон, таких как полиакрилнитрил, является отработанной технологией увеличе­ния прочности пластиковых композитов. Полиакрилннтрил имеет прочность на разрыв около 7 ГПа и диаметр 1-10 мкм. Использование этих волокон для уп­рочнения требует разработки методов равномерного распределения и ориенти­рования их в нужном направлении в материале. Волокно должно выдерживать условия, возникающие при обработке. Важными параметрами, определяющими эффективность упрочнения композита такими волокнами, являются прочность волокна на разрыв и отношение его длины к диаметру, а также способность во­локна к деформированию в матрице. Из-за высокой прочности на разрыв и большого отношения длина/днаметр углеродные нанотрубки должны оказаться очень хорошим материалом для упрочнения композитов. В этой области уже проведена некоторая предварительная работа.

Медицина. Полости нанотрубок с внутренним диаметром от нескольких нанометров можно заполнять и биологическими молекулами, в частности, эн­зимами.

Цилиндрические углеродные нанотрубки настолько тонки, что 50000 та­ких нанотрубок, сложенных в ряд, едва ли достигнут толщины человеческого волоса. Благодаря своим уникальным свойствам нанотрубки могут стать эф­фективным средством доставки самых разнообразных терапевтических агентов в клетки пациентов. Однако недостаточное количество данных о том, что про­исходит с нанотрубками после того, как они открепились от своего «груза», ос­тавалось до настоящего времени основным препятствием в их применении.

Американцы создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллы гидрооксиапатита. Затем на эту «шпатлевку» приклеивались собственные костные клетки человека, такой материал можно использовать для исправления дефектов костей после травм или операций.

Другая разработка, напротив, не дает клеткам приклеиваться к поверхно­сти. Эго нужно, к примеру, для создания биореакторов, в которых будут содер­жаться стволовые клетки. Проблема в том, что, как только стволовая клетка «села» на какую-то поверхность, она немедленно начинает специализироваться прекращаться в клетку конкретной ткани. Чтобы она сохраняла свой потенциал, надо не давать ей «присесть».

Экспериментируя с фуллеренами и дендримерами, во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т.п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом — они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животно­го и вовремя выделять инсулин, при этом оставаясь невидимыми для иммунной системы человека.

Искусственно сконструированная кпетка-респироцит сможет заменить недостающие в крови эритроциты — она умеет переносить и кислород, и угле­кислый газ. При этом взвеси респироцитов понадобится в сотни раз меньше, чем препаратов донорской крови или кровезаменителей.

У российской науки также есть достижения в области нанотехнологий. Российские ученые — лидеры в изучении и применении наночастиц металлов в медицине. Бактерицидные и ранозаживляющие свойства серебра известны ме­дицине давно. Ученые выяснили, что если серебро и другие металлы превра­тить в наночастицы, эти свойства резко возрастают. И доказали это на много­численных клинических исследованиях. Ожоги, огнестрельные раны, перело­мы, кожные, гинекологические и прочие инфекции заживают значительно бы­стрее и эффективнее. Наши ученые создали десятки препаратов, основанных на свойствах этих металлов. Н. Богданчикова, которая в России занималась иссле­дованиями серебра, а потом переехала в Мексику, стала инициатором развития этого научного направления в Латинской Америке.

Второе направление, в котором Россия могла бы лидировать в мире — соз­дание биочипов. Чип — это маленькая пластинка, на поверхности которой раз­мещены рецепторы к различным веществам — белкам, токсинам, аминокисло­там и т.п. Достаточно капнуть на чип крошечную каплю плазмы, крови или другой биологической жидкости, как «родственные» молекулы прикрепятся к рецепторам. Затем прибор-анализатор считает информацию. Биочипы, создан­ные в Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН под руково­дством академика Андрея Мирзабекова, «умеют» практически мгновенно вы­являть возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п. Причем российские биочипы оказались намного дешевле и эффективнее американских. Однако внедрение этой новейшей технологии в практическую медицину идет очень медленно.

Методы получения нанокристаллических материалов

Материалы — это вещества или композиции веществ, связанные физиче­ским или химическим взаимодействием, которые находят применение в прак­тической деятельности человека благодаря определенным полезным свойст­вам [13]. Наноструктурные материалы, или сокращенно наноматериалы — это разновидность материалов, которым именно присутствие наноразмерных элементов придает желаемые свойства. Известно, что любое вещество — это совокупность атомов или молекул, которые представляют собой распростра­ненные в природе нанообъекты. В качестве наноматериалов целесообразно вы­делить материалы, содержащие специфические группировки атомов (молекул) нанометровых размеров, благодаря чему и создается качественно новый объект, существенно отличающийся по свойствам от объектов, не имеющих таких структурных единиц (даже если их химический состав полностью совпадает).

Наноматериаловедение — комплексная сфера деятельности, соединяющая фундаментальную и прикладную науку, технологию и производство. Задачи наноматериаловедения сводятся к следующему [13]:

-разработка новых и улучшение свойств традиционных материалов; исследование микроструктуры материалов с целью совершенствования и прогнозирования их поведения в различных условиях эксплуатации;

-изучение макросвойств (физико-механических, физических, химических, тепловых, электрических, оптических и др.) в различных условиях;

-развитие теоретических основ, позволяющих предсказывать свойства ма­териалов на основе физических моделей различного уровня (электронного, атомарного, кластерного, мезоскопического);

-разработка техники компьютерного моделирования, анализа и дизайна материалов с использованием аппарата квантовой механики, методов молеку­лярной динамики, конечных элементов, динамики структурных дефектов и т.д.;

-создание новых и совершенствование традиционных технологий произ­водства, обработки, изучения и утилизации материалов;

-поиск новых сфер и способов применения наноматериалов. Наноструктурные материалы должны соответствовать требованиям, предъявляемым к обычным материалам.

Принципиальной основой материаловедения во всей истории развития этой науки являлось положение: свойства материала определяются химическим составом, технологией получения, влиянием внешних факторов (температурой, химическим составом среды, давлением, магнитными полями и т.п.). В настоя­щее время к перечисленным факторам добавился характерный размер частицы или элемента структуры. Отчасти это объясняет некоторые причины и мотива­ции появления отдельной дисциплины — «Наноматериаловедение» и ее основ­ные отличительные особенности.

Методы синтеза нанокристаллических порошков

Существуют различные способы получения нанокристаллических по­рошков: газофазный синтез, плазмохимический синтез, осаждение из коллоид­ных растворов, термическое разложение и восстановление, механосинтез, дето­национный синтез, упорядочение нестехиометрических соединений, синтез вы- сокоднсперсных оксидов в жидких металлах, самораспространяющийся высо­котемпературный синтез. Все их можно объединить в три группы: физические, химические и биохимические.

Газофазный синтез

Изолированные наночастицы обычно получают путем испарения метал­ла, сплава или полупроводника при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности. Это самый простой способ получения нанокристал­лических порошков. В отличие от испарения в вакууме, атомы вещества, испа­рённого в разреженной инертной атмосфере, быстрее теряют кинетическую энергию из-за столкновений с атомами газа и образуют сегрегации (кластеры) [13].

Установки, использующие принцип испарения-конденсации, различаются способом ввода испаряемого материала, способом подвода энергии, рабочей средой, организацией процесса конденсации и системой сбора полученного по­рошка. Испарение металла может происходить из тигля или же металл поступа­ет в зону нагрева и испарения в виде проволоки, впрыскиваемого металличе­ского порошка или в струе жидкости. Может использоваться также распыление металла пучком ионов аргона. Подвод энергии может осуществляться непо­средственным нагревом, пропусканием электрического тока через проволоку, электродуговым разрядом в плазме, индукционным нагревом токами высокой и