Нанотехнології – Клондайк чи панацея?


На рубежі ХХ і ХХI століть про нанотехнології говорили лише у вузьких колах фахівців. Сьогодні слово "нанотехнології" звучить у всіх медійних каналах – в Інтернеті, друкованих виданнях, радіо і ТБ. Давайте спробуємо зрозуміти, що ж це за звір такий і чому про нього так багато говорять.


Не мудруючи лукаво, спробуємо з'ясувати для початку, що означає термін "технологія". Wikipedia дає наступне визначення: "У широкому сенсі – обсяг знань, які можна використовувати для виробництва товарів і послуг з економічних ресурсів. У вузькому сенсі – спосіб перетворення речовини, енергії, інформації в процесі виготовлення продукції, обробки та переробки матеріалів, складання готових виробів, контролю якості, управління. Технологія включає в себе методи, прийоми, режим роботи, послідовність операцій і процедур, вона тісно пов'язана з застосовуваними засобами, обладнанням, інструментами, використовуваними матеріалами ". Грамота.ру також дає ще одне значення слова" технологія ":" Наукова дисципліна, що вивчає способи переробки матеріалів, виготовлення виробів та процеси, що супроводжують ці види роботи. / / Навчальний предмет, що містить теоретичні основи даної науки ".


Очевидно, що приставка "нано" визначає діапазон застосування нанотехнології – нанометрові (1 нм = 10-9 м) масштаби, в той час як звична нам мікроелектроніка до зовсім недавніх пір працювала з мікрометровимі (1 мкм = 10-6 м) об'єктами, лише порівняно недавно подолавши спочатку бар'єр в 1 мкм, а потім в 100 нм (0,1 мкм).


В обивательському сенсі терміни "наука" і "технологія" не є тотожними. Можна сказати, що технологія є продуктом науки, результатом деякої науково-дослідної роботи щодо створення "Способу обробки і виробництва". Наприклад, якщо нам потрібно розрізати м'ясо, ми беремо ніж, Точимо його і приступаємо до справи. При цьому ми не замислюємося про те, що наш кухонний ніж з нержавіючої сталі є плодом чиєїсь наукового дослідження, а точ – результат узагальнення практичного досвіду багатьох поколінь предків. Можливо, що в майбутньому, коли нанотехнології будуть настільки ж звичною справою, то в нас на кухні буде самозатачивающиеся ніж з наноструктурованого композиту, який у випадку порізу буде ще й виділяти речовини, що сприяють затягуванню ранок. А на озброєнні військових – ножі, які, навпаки, будуть наносити труднозажівающіе поранення. Так-так, адже, як відомо, що би вчені не придумали, врешті-решт виходить зброю.


Але це – поки що вигадка, можлива мета для науково-технічної розробки. Сьогоднішня нанотехнологія не просто йде рука об руку з відповідними науковими дисциплінами, стосовно яких на Заході навіть придумали назву "нанонауки" (nanoscience), а просто не існує поза рамками науково-дослідної діяльності. Хоча, звичайно, окремі розробки вже втілені у виробництво – наприклад, покриття з наночастинок срібла. Правда, питання про більш високу антибактеріальну ефективності такого покриття залишається відкритим, можливо, це всього лише маркетинговий хід: завдяки медійній істерії навколо нанотехнологій все, що має приставку "нано", продається краще "звичайних" аналогів.


Тому виникає цілком резонне питання – наскільки великий ефект від використання нанотехнологій? Якщо вірити російським військовим, нещодавно пережили новий боєприпас об'ємної детонації, то вибухівка, вироблена за допомогою нанотехнологій, в чотири рази ефективніше звичайного тротилу. Але знову-таки, можливо, що справа зовсім не в нанотехнологіях, а у використанні нової формули вибухової речовини, а термін "нанотехнології" був застосований в порядку "невиділення" із загального PR-безумства, де приставка "нано" слугує лакмусовим папірцем якості розробки. З іншого боку, ще в позаминулому столітті хіміками було встановлено, що фізико-хімічні властивості речовин залежать не тільки від (кількісного) елементного його складу, але і від його структури. Наприклад, два різних за своїми властивостями речовини, пропаналь (CH3CH2CHO) і ацетон ((CH3)2CO) мають однаковий елементний склад (C3H6O), і таких прикладів можна навести безліч. Крім цієї структури важливу роль грає геометрія – те, як розташовані атоми відносно один одного. Відомо, що молекули одного і того ж речовини з різною геометричною формою, званої конформацією, мають різні властивості, при цьому такі конформації, відрізняючись один від одного потенційною енергією, можуть бути досить стійкими внаслідок висоти розділяє їх потенційного бар'єру. Тому легко собі уявити, що молекули складних азотовмісних речовин в певних конформаціях при окисленні виділяють більше енергії, ніж їхні аналоги, які мають іншою будовою. У цьому сенсі вживання терміну "нанотехнологія" для таких речовин цілком виправдано, оскільки розміри їх молекул можуть, у принципі, досягати декількох нанометрів.


І все-таки початком зародження нанотехнологій слід вважати 1970-ті роки, коли технологія виробництва напівпровідникових мікросхем вміла працювати лише з об'єктами розміром 2-8 мкм. У 1971 році в Японії була висловлена гіпотеза про існування нового типу алотропія вуглецю – фулеренів. У 1973 році в Радянському Союзі був проведений квантово-механічний розрахунок і доведена стабільність З60 (Бочвар Д.А., Гальперн Є.Г.). А в 1985-му в мас-спектрах сажі, що утворюється при дуговому розряді між вуглецевими електродами, були виявлені піки, відповідні 720 і 840 атомним одиницям маси, віднесені до З60 і С70, Відповідно.




Це відкриття розбурхало вчених. Перед ними відкривався новий горизонт наукової роботи – матеріали, що складаються з абсолютно звичайної речовини, але, завдяки своїй наноструктур, які мають принципово новими властивостями. Фулереновий кристали демонструють властивості напівпровідників, леговані металами – властивості провідників, стають надпровідниками при гелієвих температурах. Сьогодні найбільш перспективним напрямом досліджень потенційних застосувань донорно-акцепторних сполук фулеренів є створення недорогих і ефективних сонячних батарей, а фулеренів з впровадженими у внутрішню порожнисту оболонку атомів хрому або заліза – як елементної бази перспективних магнітних накопичувачів.


Окрім "класичного" або Бакмінстер-фулерену С60 згодом були теоретично передбачені і виявлені фулерени з більшим кількістю атомів, а також інші алотропія вуглецю – нанотрубки і графен. Причому згадки про одновимірних наноскопіческіх структурах вуглецю, які з відкриттям Ііджіми (NEC) в 1991 році стали називати нанотрубками, взагалі кажучи, наводилися вченими і раніше, в 1950-х роках, у тому числі і в СРСР, але до відкриття фулеренів всерйоз не сприймалися.


Таке різноманіття структур з'єднання одного-єдиного елемента не могло не породити питань і з приводу інших. Крім вже згадуваних наночасток срібла, вченим вдалося виявити стійкі наночастки золота та інших металів. Однак, вуглецеві наночастки (фулерени) і нанотрубки займають чільне місце серед пріоритетних напрямків досліджень з тієї простої причини, що вихідний матеріал – Вуглець – дуже дешевий. А це означає, що вуглецева нанотехнологія дозволяє створити колосальну надбавленную вартість, і це обіцяє величезні прибутки. Саме тому всі розвинені й не дуже країни так чи інакше прагнуть першими створити свої нанотехнології, щоб у майбутньому захопити якомога більшу частку ринку. Цю "нанотехнологічну лихоманку" можна порівняти з "золотою лихоманкою", що охопила в Свого часу американський Клондайк. Як всі, напевно, пам'ятають, золота в Клондайку виявилося зовсім не так багато, як того очікували золотошукачі і результатом "золотої лихоманки" стало безліч скалічених доль.


Сьогодні світове співтовариство знаходиться в стадії певної ейфорії, ніж, мабуть, і пояснюється наплив захоплених публікацій про нанотехнології – начебто, щось вже виходить, і все вже чекають того, що завтра-післязавтра за допомогою нанотехнологій вдасться вирішити всі проблеми людства, в тому числі перемогти рак і СНІД. Але природа завжди хитріший, а правда життя така, що вчених чекає важка, кропітка і дорога робота, результат якої аж ніяк не очевидний. Панацеї від всіх хвороб і проблем ще не вдавалося винайти нікому, хоча, швидше за все, ряд цікавих завдань вирішити напевно вдасться.


Однією з таких завдань є створення квантового комп'ютера. Нагадаємо, що квантовий комп'ютер оперує з кубітами, приймаючими дискретне квантовий стан, відповідне "0" і "1". Однак принадність роботи з кубітами полягає в дивовижну властивість квантової суперпозиції – "змішуванні" кількох станів "0" і "1" в одному кубіте, що проявляється в тому, що кубіт з певною ймовірністю Р знаходиться в стані "1" і з ймовірністю 1-Р – в стані "0". При цьому всі операції над кубітом модифікують одночасно обидві ці ймовірності таким чином, як якщо б дії проводилися над усіма "знаходяться" там "1" і "0".


У вересневому номері журналу Nature опубліковані результати двох робіт: вчених з Національного Інституту Стандартів і Технологій США (NIST) і Єльського університету. В обох випадках використовуються квантові точки – наноскопіческіе об'єкти, що містять сотні-тисячі атомів в когерентному стані, у зв'язку з чим іноді ще звані "штучними атомами".




Вченим NIST вдалося передати інформацію від одного кубіта – квантової точки – до іншої, з використанням фотона. Свій винахід дослідники охрестили "квантової шиною" – очевидно, натякаючи, що його можна буде використовувати для зв'язку кубітів всередині квантового чіпа.


Дане повідомлення, вибраного мною як приклад (оскільки наш ресурс, все-таки, в першу чергу – комп'ютерний), також ілюструє, наскільки важко йде прогрес в галузі нанотехнологій. Питання про те, наскільки економічно ефективними будуть інвестиції в цю галузь, залишається відкритим.


У майбутніх публікаціях ми спробуємо розкрити докладніше тему перспектив наноелектроніки – крім традиційної, кремнієвої, цілком імовірно (але зовсім не обов'язково) наступ "вуглецевої ери". Корпорація NEC, єдина, що володіє правами на комерційне використання нанотрубок, обіцяла свого часу випустити на ринок першу мікросхему на вуглецевих нанотрубках в 2010 році. Так що чекати нам залишилося зовсім небагато.

Схожі статті:


Сподобалася стаття? Ви можете залишити відгук або підписатися на RSS , щоб автоматично отримувати інформацію про нові статтях.

Коментарів поки що немає.

Ваш отзыв

Поділ на параграфи відбувається автоматично, адреса електронної пошти ніколи не буде опублікований, допустимий HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

*