Окончание. Начало в №4, 2016

Путь сверху вниз. Дробление лучом

Можно ли получить наночастицу на мельнице? Вопрос этот не такой простой, каким кажется на первый взгляд. Дело в том, что любая мельница не обеспечивает получение частиц одинаковой величины, всегда получается некоторое распределение частиц разных размеров.

Поэтому в той части распределения, где находится самая мелочь, вполне могут оказаться и наночастицы. Но появляется новая проблема: как сортировать, отсеивать «мелочь» от более крупных частиц.

А тут уж не обойтись без атомно-силовой микроскопии и весь процесс усложняется, становится экономически неэффективным. Опять появляется экономическая составляющая научно-технического прогресса.

Если получать наночастицы механическим способом сомнительно, то как же добиться желаемого? Нанофазные материалы, о которых упоминалось выше (их часто называют наноструктурированными), придумали изготовлять, например, сжимая порошок из наночастиц при повышенной температуре (горячий отжим).

И тут на помощь нанотехнологиям приходят технологии лучевые. Уже общеизвестно, что лазерный луч может резать металл, прожигать отверстия и делать массу иных технологических операций. Подбор подходящего луча – дело непростое. По этой причине, во многом даже независимо от собственно нанотехнологий, стали разрабатываться источники разнообразных излучений. Основная часть этих исследований концентрировалась вокруг лазеров.

Первым направлением получения их были так называемые источники синхротронного излучения. Такое излучение получается на круговых ускорителях элементарных частиц, синхротронах, синхрофазотронах и т.п. Синхротронное излучение ещё называют «тормозным».

Вторым направлением были лазеры на свободных электронах. Они, в отличие от источников синхротронного излучения, где излучение было лишь побочным эффектом, создавались специально для того, чтобы получать излучение в заданном диапазоне, от ультрафиолетового до инфракрасного.

Когда такая возможность есть, реально подобрать и такое сочетание излучений, которое максимально эффективно дробит частицы. Термин «дробление» в данном случае означает, что луч воздействует на некоторую поверхность, из которой луч «выбивает» наночастицы, иногда даже состоящие из отдельных атомов и молекул. Этот процесс иногда называется испарением.

В результате испарения могут быть получены частицы с линейными размерами не более 100 нм и с принципиально новыми физико-химическими, а, следовательно, и функциональными свойствами.

В настоящее время ни один из технологических процессов испарения не гарантирует получение только таких частиц. Распределение частиц по величине от десятых долей нанометра (отдельные атомы) до одного микрона и более (частицы с миллионами атомов). Чем меньше атомов в наночастице, тем в большей степени проявляются квантовые и поверхностные эффекты, многие из которых оказываются для исследователей неожиданными.

Наибольшая вероятность встречи с неожиданностью при размере частиц менее 10 нм. Именно в этом диапазоне у веществ появляются новые свойства.

Путь по горизонтали. Поверхности

В наибольшей степени нанотехнологии изменят поверхности промышленных изделий. Вспомните про муху, лотос и гуся. Можно добавить, хотя и с оговоркой, настурцию и бабочку, у которых замечены ещё более интересные поверхности.

Отталкивающие воду лепестки настурции делают это лучше, чем листья лотоса, или, как говорят, имеют более высокий лотос-эффект. А моделируя структуру крыльев отдельных видов бабочек, исследователи из Массачусетского технологического института создали материал, который отталкивает не только воду, но и раскалённое жидкое олово.

Это парадокс – нежный материал должен бы сгореть, но олово с него стекает без повреждений. Скорость отталкивания оказывается выше скорости возгорания¹.

С поверхностями и раньше у физиков и химиков было не просто. Дело доходило до разочарований.

Великий физик Вольфганг Паули выразился однажды так: «Объём создал Бог, а поверхность создана дьяволом».

Многое из того, что известно по школьному курсу физики, на поверхностях не действует. И нужно отметить, что это беспокоит не только учителей, студентов или школьников. В наибольшей степени озабочены этим физики.

Впрочем, есть среди них и те, что радуются новой сфере исследований и будущим удивительным открытиям. Ведь если в макромире объём довлеет надо всем, то в наномире поверхностей больше, чем объёмов. По этой причине физика в результате контакта с нанотехнологиями существенно изменится.

Независимо от этого, нанесение наноструктурированных покрытий повышает их износоусточивость, гладкость и другие требуемые свойства. Срок службы инструмента может возрасти более чем в 6 раз.

Уже сейчас производятся содержащие наночастицы средства уменьшения трения – реметаллизанты. Наночастицы не взаимодействуют со средой (эмульсией или маслом), но, попав в зону трения, под действием высокой температуры и давления они начинают образовывать защитную пленку, снижающую трение. При добавлении реметаллизанта в моторное масло увеличивается мощность двигателя и ресурс его работы.

Любые форсунки, на которые будут наноситься твердые слои толщиной всего в десятки нанометров, будут служить в десятки раз дольше. Это же касается любых соударяющихся или трущихся друг о друга объектов.

С помощью нанотехнологий можно любую поверхность превратить в солнечную панель, а полученную энергию использовать для разных нужд, вплоть до подзарядки аккумуляторов автомобиля или использования её как энергии движения в гибридных автомобилях и электромобилях.

Ещё проще использование такой электроэнергии в стационарных объектах. Все окна с помощью нанотехнологий удастся превратить также в источники электроэнергии. Её будут собирать в местах, где стекло граничит с рамой.

Путь снизу вверх. Материалы и метаматериалы

То представление о нанотехнологиях, которое относится к их романтическому периоду после работ Фейнмана в 60-80-е годы прошлого века, стало изменяться, когда стало понятно, что доходить до отдельных атомов и молекул совершенно необязательно.

Выяснилось, что объектом нанотехнологий вполне могут быть образования из этих атомов и молекул. Такие образования стали называть наноматериалами. Несмотря на то, что многие искусственные наноматериалы не имеют аналогов в природе, они не могли бы появиться, если бы человеку не демонстрировали уже существующие в природе наноматериалы и наноструктуры.

Метаматериалы от просто материалов отличаются тем, что их свойства зависят не только от составляющих их веществ, но и от их специальным образом организованного взаимодействия. Для организации взаимодействия в каждом конкретном случае подбираются размеры структур, регулярное размещение атомов в этих структурах и т.д. ²

Весь живой мир представляет собой метаматериалы, где ДНК, собирающая организм и отдельные его органы, сама по себе является упорядоченной трехмерной структурой, то есть метаматериалом. Хотя в перспективе искусственная ДНК, упорядоченная структура, порождающая новый самостоятельный организм, будет основой материального производства, сейчас учёные активно изучают наноструктуры, порождённые живыми организмами.

Наиболее яркий пример – диатомовые водоросли, которые являются основным и самым массовым природным звеном (биопродуцентом) в пищевых цепях аквальных экосистем, составляя в среднем около 80% фитопланктона морей и океанов. Их жизненный цикл ограничивается одним (летним) сезоном и, ежегодно отмирая и опускаясь вниз в водной толще, они формируют на дне водоемов мощные пласты осадочных пород (полезных ископаемых) – диатомитов. В Сибири мощным и потенциально бесконечным источником диатомовых водорослей является озеро Байкал. Открыты большие месторождения диатомитов и в восточных районах России. Во многих странах мира диатомовые водоросли рассматриваются как перспективный объект для вовлечения их в хозяйственный оборот. При этом используются разнообразные их свойства:

1) химический состав панцирей (аморфный кремний и окись кремния);
2) большое соотношение поверхности и веса (более 500 кв. м поверхности на 1 г);
3) относительно регулярная геометрия (для каждого вида);
4) высокая скорость размножения (новое поколение – через 4-6 часов).

Свойство 1 обеспечивает использование известных методов нанесения металлов на подложки, состоящие из кремния или окиси кремния. Научная ценность направления состоит в том, что сочетание кремния и окиси кремния на поверхности панцирей является регулярным.

Свойство 2 обеспечивает достижения главного свойства, необходимого для создания ультраконденсатора – высокой поверхности накопления заряда. В одном кубическом дециметре водорослей может содержаться несколько квадратных километров поверхности.

Свойство 3 позволяет делать стандартные ультраконденсаторы при условии предварительной селекции диатомей и их искусственного выращивания (культивирования). В настоящее время природные диатомовые водоросли имеют поры менее 2 нм. При регулярной структуре этих пор возможны расчеты по мощности ультраконденсатора.

Свойство 4 определяет дешевизну, а, следовательно, и рыночную конкурентоспособность данного материала. Оно также открывает путь для культивирования тех видов водорослей, которые в наибольшей степени подходят для создания эффективного накопителя электрической энергии.

Диатомеи имеют больше хромосом, чем все прочие виды эукариот. По этой причине их селекция позволяет отработать на простейших (одноклеточных) организмах генетические концепции, которые в случае многоклеточных животных и растений затруднительно даже сформулировать ³. И диатомовые водоросли, в том числе, выведенные (селекционированные) человеком, будут на всю видимую перспективу служить примером для нанотехнологов.

Одно из направлений получения метаматериалов вызывает наибольший интерес у всех – создание такого метаматериала, который делает объект невидимым. Уже сейчас созданы экземпляры «плащей-невидимок», когда «сквозь объект» видно то, что находится за ним. Достижением российских учёных можно считать создание покрытий, которые делают объект невидимым для прибора ночного видения.

В последнее десятилетие наряду с категорией метаматериалы используют термин наноматериалы, которым обозначают как метаматериалы, так и материалы в обычном понимании. И теперь выделяют такие типы наноматериалов: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки и нановолокна, нанодисперсии (коллоиды), нанокристаллы и нанокластеры, наноструктурированные поверхности и плёнки. О плёнках сказано выше.

Нанокластеры – это частицы упорядоченного строения, содержащие до 1000 атомов. Частицы нитевидные и пластинчатые могут содержать многие тысячи атомов. Это и не кристаллы, и не аморфный материал.

Наночастицы состоят примерно из сотни атомов, их диаметр от 5 до 100 нм, то есть от пяти стомиллионных до одной миллионной доли метра или в правильной записи от 5х10^-6 до 1х10^-9 м.

Теперь несколько слов о том, что для дела нужнее, нанокластеры или, например, наночастицы. Ответ на этот вопрос возможен только уклончивый: смотря для чего. Например, нужно решить простую проблему, хорошо известную автомобилистам. Если от камня, попавшего в лобовое стекло, появилась трещина, то рано или поздно она начнет увеличиваться. Как помешать распространению трещины или как сделать такое стекло, чтобы трещина не увеличивалась? Возможно, в таком стекле трещины не появятся и изначально. Если стекло аморфное, то трещина будет увеличиваться неминуемо.

Повышение прочности связано с тем, какая часть материала аморфная, а какая – кристаллическая. Если некоторый материал состоит из кристаллов, трещина при ее увеличении наталкивается на ближайший кристалл и останавливается. Именно сочетанием кристаллической и аморфной компонент материала объясняются его физические характеристики. Так, конкурентные преимущества дамасской стали, как теперь выяснилось, связаны с удачным сочетанием аморфного металла и кристаллической компоненты.

Исключительно перспективными оказываются электронные схемы с элементами из нескольких атомов. В этом направлении, пожалуй, идет максимальная работа. Объясняется это тем, что электроника совершила мощный скачок еще до начала внедрения нанотехнологий. Компьютеры, которые поначалу занимали целые этажи, через полвека стали помещаться в планшете размером в записную книжку. Нанотехнологии продолжают ту линию миниатюризации, что сложилась с самого появления вычислительной техники. Но этот новый этап процесса должен привести к тому, что будет компьютеризована среда, окружающая человека.

Преодоление разрыва: самосборка и нанороботы

Рассматривая окрестности из клеточки «углерод» таблицы Менделеева и размышляя, что же произошло, приходим к следующему выводу: сложился разрыв между тем, что первоначально считалось основной нанотехнологической процедурой – механическим перемещением атомов и молекул – и тем, чем реально стали заниматься нанотехнологи.

Когда-то многие программисты программировали на языке низкого уровня, который назывался ассемблер. Так было принято называть его в СССР. В Европе он назывался мнемокод. Тогда ещё шутили, что переводя мнемокод как ассемблер, считаешь, что переводишь с английского на русский, тогда как на самом деле это перевод с греческого на французский. Ещё более интегрированы языки при описании необычных явлений, происходящих в наномире.

В нанотехнологиях ассемблер – это молекулярная машина, способная к саморепликации, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков ⁴.

С помощью ассемблера ещё в 1989 году в компании IBM выложили название фирмы атомами ксенона и сфотографировали через микроскоп. Это был явно затратный проект, который попросту показывал перспективные возможности прямых нанотехнологий, экономическая эффективность которых не ясна до сих пор.

Впрочем, прошла уже четверть века, и как знать, вдруг в самое ближайшее время любой школьник сможет выложить номер любимой школы из таких же атомов на обычном уроке.

Нанотехнологический ассемблер – плагиат. Учёные подсмотрели его в природе, где самосборка наноструктур – дело обычное. Единственное, что они добавили – электростатическую самосборку, которая в природе пока не встречалась. Её действие напоминает то, о чём говорилось выше про зондовую микроскопию.

Все костные ткани – результат природной самосборки. А сейчас, пока не в массовом масштабе исследователи научились создавать искусственную «кость».

Впрочем, кавычки здесь я поставил зря. Конечно, волокна диаметром около 8 нм, они искусственные, но состав их близок к обычной кости, да и включение в их состав клеток обычной кости вполне реально. Затем порождается искусственный коллаген, естественный аналог которого и в живой природе служит связующим для костных клеток.

Таков остаток от романтического периода развития нанотехнологий, когда Эрик Дрекслер трактовал эти технологии в медицине предельно просто. Он выдвигал неоспоримый тезис, что человеческое тело сделано из молекул.

Из тезиса следовало, что люди становятся больными и старыми из-за того, что появляются «ненужные» молекулы, а концентрация «нужных» уменьшается или их структура изменяется.

Нужно, согласно Дрекслеру, изобрести наномашины, способные переупорядочить атомы в «испорченных» молекулах или собирать их заново, проникать в живую клетку, анализировать её состояние и в случае необходимости «лечить» её, изменяя структуру молекул, из которых она состоит.

Эти наномашины величиной с бактерию будут восстанавливать (лечить) клетку за клеткой какой-либо ткани или органа, а затем орган за органом по всему телу, и тем самым, восстанавливать человеческое здоровье.

Но, отметим, что это представление романтического периода развития технологий. Польза от него в том, что, описывая нечто мало достижимое, такое представление стимулирует выполнение более реальных задач.

К таким реальным задачам относится, в частности, использование в нанотехнологиях биологических объектов, прежде всего, вирусов и их составных частей. Существенную часть наномира давно исследует биохимия, её объекты – аминокислоты размерами около одного нанометра, белки – от 4 до 50 нм.

Из вирусов наиболее перспективным считается вирус табачной мозаики величиной 120 нм, наиболее проработанное направление – доставка внутрь клетки нового гена, несущего Экспериментальную вакцину. Вирус обеспечивает сборку нанолекарств из вирусного белка, и доставляет их к поражённым клеткам организма.

Нанотехнологии – не последняя ступень в инженерном проникновении в микромир. За ними наверняка последуют пико-, фемто- и даже аттотехнологии. Но это будет уже задачей нынешних школьников, да и то, пожалуй, только начальных классов.

Выше я упоминал книгу Эрика Дрекслера «Машины созидания». В ней автор зашёл ещё дальше, к технологиям нематериального. Он вводит категорию «мимов».

Это – мысли или идеи, привычки или обычаи, приветствия, другие общепринятые выражения, мода, принятые способы передвижения или строительства. Мимы – как живые организмы: размножаются, у них есть определенная продолжительность жизни, они конкурируют между собой, воспроизводятся в течение сотен лет. Вообще, идея работать с нематериальным давно будоражит умы.

Граница между живым и неживым всегда представляла собой сложность для биологов и философов. Теперь эта граница – поле экспериментов в области нанотехнологий. Нащупывать эту границу начали задолго до нанотехнологий, но только сейчас появились инструменты для подробного её изучения.

Экономика – это всё

Такое компромиссное определение нанотехнологий, как «совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путём манипулирования атомами и молекулами» ⁵ получилось от того, что оно подходит как для общей романтики, так и для вполне практических разработок.

Нет ничего важнее экономических расчётов, если ты хочешь творить будущее. Какими бы ни были фантазии, только с разрешения экономистов они станут реальностью. Но расчеты всегда корректируются с учётом очередных научных достижений.

Мы знаем, что наноструктурированный катализ существенным образом изменит наше представление о химической промышленности, сделав её энергоэффективной и безотходной. Нанокерамика в здравоохранении приведет к новым имплантантам, заменяющим зубы и кости, поскольку наночастицы будут заполнять поры и делать кости и зубы более прочными и стабильными.

Многие лекарства приобретают новые эффективные свойства, если состоят из наноразмерных частиц.

Если в оптике использовать нанопокрытия очков, они становятся навечно чистыми и на них никогда не будет царапин. Сейчас все электронные приборы уже, так или иначе, связаны с использованием в них наночастиц. Но использование нанотехнологий увеличивает их долю во всех электронных приборах, что приводит к тому, что приборы становятся более быстрыми и компактными.

Наноматериалы будут использоваться в солнечных панелях и косметике, в инструментах и продуктах питания. Получится ли из комплекса нанотехнологий некоторая обособленная сфера экономической деятельности?

Нельзя сейчас ответить на этот вопрос однозначно. Мы имеем опыт развития кибернетики, которая изначально предполагалась как особая наука и сфера деятельности, но по факту так и осталась совокупностью мало связанных между собой задач.

Дальние перспективы развития нанотехнологий отчасти пересекаются с идеями известного ученого Вернадского о возникновении ноосферы – «разумной среды обитания», в которой человечество не вмешивается в течение природных процессов.

Действительно, нанотехнологии позволят людям в меньшей степени вмешиваться в окружающую среду, позволят природе жить собственной жизнью. Эти мысли очень далеки от тех, что чаще звучат на уроках: «Мы не можем ждать милостей от природы. Взять их у нее – наша задача». Неправильная интерпретация этих слов Ивана Владимировича Мичурина, человека, которым нельзя не восхищаться, зачастую приводят и к непониманию принципиальной важности нанотехнологий. Нанотехнологии – не просто одно из многих проявлений научно-технического прогресса, это часть нового мировоззрения, облечённого в форму инженерного подхода.

И заключить стоит словами профессора Медведева из Московского авиационного института: «Сколько раз приходилось задумываться: “Тому ли я учу своих студентов? Достаточны ли полученные от меня знания для их будущей жизни? И какова она, техника будущего?”.
Это очень важно, приоткрыть молодым людям горизонты будущего, приготовить их к этому будущему».

---

¹ Chandler D. L., Droplets break a theoretical time barrier on bouncing, MIT MIT News, November 20, 2013.

² Engheta N., Ziolkowski R. W. (Eds) Electromagnetic Metamaterials: Physics and Engineering Explorations, University of Exeter, 2006.

³ Воронов Ю.П. и др. Ультраконденсаторы на базе диатомовых водорослей. Перспективы применения, консультационная фирма Корпус, отчет, Новосибирск, 2011.

⁴ Определение Дрекслера, цитируется по М. Рыбалкина цит. пр. с. 18.

⁵ Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех, www.nanonewsnet.ru, 2005, с.11.

Ю.П. Воронов, кандидат экономических наук, ведущий научный сотрудник ИЭиОПП СО РАН, руководитель Торгово-промышленной палаты Новосибирска