Нанотехнологии. Знакомство с дисциплиной и примеры использования

Химики прекрасно умеют мыслить на атомном и молекулярном уровне. Однако для управления физическими свойствами повседневных материалов необходимо сначала связать молекулярные свойства с макроскопическими. Например, форма и дипольный момент отдельной молекулы влияют на силу взаимодействия между молекулами, что, в свою очередь, определяет температуру плавления твердого тела, состоящего из множества таких молекул.

Четкое понимание таких микроскопических и макроскопических химических взаимосвязей позволяет ученым и инженерам создавать материалы, подходящие для конкретных задач. Но что, если бы мы могли «конструировать» непосредственно на молекулярном уровне? Возникающая дисциплина, известная как нанотехнология, занимается именно этим: проектированием устройств размером с молекулу, способных выполнять функции объектов, которые мы традиционно манипулируем в гораздо большем масштабе.

Цветное изображение атомно-силового микроскопа (АСМ) углеродной нанотрубки (синяя) на платиновых электродах (желтая). Нанотрубка имеет диаметр 1,5 нм, что составляет всего 10 атомов в ширину. Это считается самым маленьким электрическим проводом в мире. Помимо возможности миниатюризации электронных компонентов, малый размер нанотрубки придает ей особые свойства, которые можно использовать для создания совершенно новых электронных устройств

Поскольку длина химической связи составляет порядка 1–5 Å (1 ангстрем = 1 × 10^-10 метра), молекулы и небольшие их скопления имеют размеры до нескольких сотен нанометров (1 нанометр = 1 × 10^-9 метра). На этом уровне химические частицы еще не достигают критической массы, необходимой для проявления макроскопических свойств, и в некотором смысле ведут себя как отдельные молекулы. В результате такие «наночастицы» часто обладают необычными или превосходными свойствами по сравнению с более крупными структурами.

Одним из наиболее ожидаемых применений нанотехнологий является молекулярная электроника, в которой компоненты компьютерных чипов (уже достигающие минимальных размеров, возможных при использовании традиционных методов производства) могут быть заменены более быстрыми и компактными устройствами, созданными из отдельных молекул.

Изображение круговых узоров шириной 100 нм, вытравленных нанометровым наконечником зонда атомно-силового микроскопа на золотой поверхности, покрытой длинноцепочечными органическими молекулами. Более темные цвета обозначают нижние области на поверхности. Круглые канавки имеют ширину около 10 нм и глубину 1 нм. Возможность проектировать и создавать масштабные объекты на поверхностях является важной частью нанотехнологий

Например, углеродные нанотрубки — крошечные полые структуры, состоящие исключительно из атомов углерода, — потенциально могут быть использованы таким образом, поскольку их высокая теплопроводность и электропроводность позволяют им функционировать как молекулярные «провода». В то время как обычные провода, изготовленные из проводящих металлов, всегда содержат дефекты, ограничивающие их свойства, однородная структура углеродных нанотрубок делает их свободными от изъянов. Их безупречная структура также придает им другие уникальные свойства, такие как прочность на единицу веса, значительно превышающая прочность стали. Углеродные нанотрубки уже используются для укрепления легкого высококачественного спортивного оборудования, такого как клюшки для гольфа и рамы велосипедов.

Поскольку многие биологические структуры имеют наноразмерный масштаб, лечение рака и других заболеваний может получить огромную пользу от нанотехнологий. Частицы диаметром менее 50 нм могут проникать в большинство клеток, а частицы размером менее 20 нм способны проходить через стенки кровеносных сосудов в окружающие ткани, что позволяет этим материалам легко достигать нужных мест.

Кроме того, молекулярная природа наноматериалов означает, что их можно точно модифицировать путем химического присоединения различных веществ, необходимых для диагностики и терапии. Одна противораковая наночастица, созданная из крупной молекулы полимера или белка, может одновременно нести антитело, избирательно связывающееся с раковыми клетками (что повышает эффективность лечения), магнитный контрастный агент для МРТ-визуализации и сами молекулы лекарственного препарата. Эти крошечные, многофункциональные «суперлекарства» будущего называются «наноклиниками».

Лечение рака и переосмысление компьютерных чипов кажутся достаточно амбициозными задачами для любой новой технологии. Однако нанотехнологии настолько захватили наше воображение, что появилось множество других, более смелых предложений по их использованию. Среди них — искусственные кишечники из пластиковых пленок, наполненных наночастицами, «умные» пули с крошечными компьютерными чипами для отслеживания цели, и «космический лифт», состоящий из 22 000-мильного каната из углеродных нанотрубок, соединяющего Землю со спутником, для подъема материалов на орбиту без использования ракет.

Сбудутся ли эти фантастические технологии или нет, одно кажется очевидным, учитывая более прагматичные применения нанотехнологий: многие «большие вещи» в нашем будущем могут оказаться очень маленькими.