Читать книгу: «Нанотехнологии. Правда и вымысел»

Памяти нашего отца и деда Ивана Ивановича

Введение

Несомненно, нанотехнология остается ключевым понятием начала XXI века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

Нанонаука продолжает стремительно развиваться. Разрабатываются новые устройства и материалы, появились новые термины и определения, произошел ряд знаковых событий у нас в стране и за рубежом в этой области.

Здесь приводятся базовые термины и определения, исторические аспекты развития научного направления, рассматриваются некоторые природные наноэффекты и виды наноструктур, а также методы их искусственного получения, приводятся примеры практического использования нанотехнологий в энергетике и электронике, машиностроении и строительстве, медицине и косметологии, сельском хозяйстве, военной промышленности и т. д.

Большое внимание уделено реальным достижениям практической нанотехнологии, в основном отечественной науки и производства, более подробно рассказывается об исследованиях и достижениях наших соотечественников (как в России, так и за рубежом).

Нам хотелось бы представить вашему вниманию достаточно простую книгу, чтобы она была интересна и полезна школьнику и пенсионеру, аспиранту и бизнесмену, чтобы ее можно было почитать в библиотеке или аудитории, дома или в пути, а что из этого получилось – судить вам, дорогие читатели.

Надеемся, что при чтении каждый из вас сможет сделать для себя неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

С уважением,

Виктор Балабанов,

Иван Балабанов

Глоссарий

А

Абляция (лат. ablatio – отнятие) – многозначный физический термин, обозначающий процесс сноса вещества с поверхности твердого тела обтекающим потоком. В физике твердого тела – удаление (испарение) вещества с поверхности под воздействием лазерного излучения.

Агрегация (лат. aggregatio — присоединение) – 1) процесс объединения элементов в одну систему; 2) объединение, симулирование каких-либо однородных показателей с целью получения более общих показателей.

Аденовирус (adenovirus, лат. adeoides, от греч. ade — железа и лат. virus — яд) – представитель группы ДНК-вирусов, вызывающий у человека инфекционные заболевания верхних дыхательных путей, напоминающие обычную простуду, желудочнокишечные инфекции или одну из разновидностей раковых опухолей. Приставка «аден-» (aden-) указывает на связь объекта с железой или железами.

Адроо́н (древнегреч. адрос – сильный, тяжелый) – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными с точки зрения кварковой теории (см. Кварк).

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) – процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела.

Актюатор (англ. actuator — привод, пускатель) – исполнительное устройство, передающее воздействие на объект. В технике под актюатором обычно понимается преобразователь входного сигнала (электрического, оптического, механического и др.) в выходной сигнал (см. Наномотор), действующий на объект управления. Актюаторами являются: электродвигатели, электрические, пневматические и гидравлические приводы, релейные устройства и т. д.

Аллотропия (греч. аллос — иной, тропос – поворот, свойство) – существование одного и того же химического элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

Ассемблер (наноассемблер, конструктор) (англ. assemble — собирать) – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе производить (собирать) из набора атомов молекулы путем механохимии. Ассемблер включает в себя мощный нанокомпьютер, комплекс наноманипуляторов и наносенсоров, то есть это молекулярная машина, которую можно запрограммировать на построение практически любой молекулярной структуры или устройства из более простых химических строительных блоков, подобие управляемого компьютером механического цеха.

Атом (древнегреч. атомос — неделимый) – частица химического элемента, сложное, делимое тело. Атом состоит из облака электронов, окружающих плотное ядро, которое в тысячи раз меньше, чем сам атом. Наномашины будут работать не с ядрами, а с атомами.

Атто… (лат. atten — восемнадцать) – приставка к наименованию единицы физической величины, служащая для образования дольной единицы, равной 10¹⁸ от исходной. Сокращенное обозначение: русское – а, международное – а. Например, 1 ас (аттосекунда) = 10¹⁸ с.

Аэрогель (от лат. aero — воздух и gelatus — замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают одновременно рядом уникальных свойств: очень низкой плотностью, высокой твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т. д. Известны аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, углерода, оксидов хрома и олова.

Б

Балк-технология (англ. bulk-technology) – технология, основанная на манипуляции совокупностями атомов и молекул (массовая технология или материал), а не индивидуальными атомами.

Белок зеленый флуоресцентный (англ. green fluorescent protein, GFP) – белок, обладающий зеленым свечением при освещении светом определенной длины волны. Впервые был выделен из медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. GFP стал одним из важнейших инструментов в биохимии, молекулярной биологии и бионанотехнологии.

В

Вирус (лат. virus — яд) – частица микро– или наноразмеров, способная инфицировать клетки живых организмов. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Вирусы являются потенциальными объектами для использования в бионанотехнологиях.

Вискеры (от англ. whisker — волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) – нитевидные кристаллы с диаметром от 1 до 10 мкм и отношением длины к диаметру больше 1000, являются одним из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств.

Г

Геомодификатор (греч. геос — земля) – специальная микро– или нанодобавка в топливно-смазочные материалы и технологические среды на базе минералов геологического (реже – искусственного) происхождения, которые могут вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения.

Гетероструктура (греч. гетеро – союз, товарищество) – комбинация нескольких гетеропереходов (контакт двух разных полупроводников), используемая для создания потенциальных ям для электронов и дырок в слоистых полупроводниковых структурах и применяемая в полупроводниковых лазерах и светоизлучающих диодах.

Графен – углеродный наномонослой, в котором связи C–C образуют правильные графитовые шестиугольники («пчелиные соты»).

Д

Дендримеры (греч. дендрон — дерево, англ. dendritic — ветвящийся, древовидный) – относительно новый класс химических соединений (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующихся при соединении молекул, которые обладают ветвящейся структурой (древообразные полимеры).

Дизассемблер – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе отделять атомы от молекул, записывая при этом их месторасположение на молекулярном уровне. Пара «ассемблер – дизассемблер» сможет создавать копии любых макрообъектов.

Диссипация (лат. dissipatio – рассеяние) – процесс необратимого рассеивания (или возврата) энергии, полученной системой в различных процессах (например, при трении).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – молекула, содержащаяся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. Представляет собой полимерный остов из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому прикреплены азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин). Молекула ДНК – это двойная нуклеотидная наноцепь с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм. Она является носителем генетической информации и наследственных признаков и заряжена отрицательно, так как фосфат в ее составе несет отрицательный заряд.

Дуга фуллереновая – дуговой метод получения фуллеренов, основанный на термическом разложении графита при электролитическом нагреве графитового электрода или лазерном облучении поверхности графита.

З

Золь-гель технология – технология получения микро-и наноструктурированных материалов из коллоидного раствора в процессе конденсации и образования полимерной пространственной сети с жидкой фазой (геля). Дальнейшее применение этой технологии позволяет, в частности, получать аэрогели (см. Аэрогель).

И

Индентор (англ. indentation – вдавливание, идентирование, лат. into – внутрь) – твердый предмет определенной геометрической формы (шар, конус, пирамида) и размеров, вдавливаемый в поверхность исследуемого материала под действием заданной нагрузки или собственного веса (для измерения твердости). Изготавливают обычно из алмаза, сапфира, твердого сплава и т. п.

К

Кантилевер (англ. cantilever – консоль) – устоявшееся название наиболее распространенной в сканирующей атомносиловой микроскопии конструкции микромеханического подвижного зонда, которая служит для измерения отклонения зонда и позволяет изучать диэлектрические материалы.

Квант (лат. quantus — сколько) – неделимая часть материи. Например, квант света – элементарная часть (порция) света, то же, что фотон. В основе понятия лежит представление о том, что любая физическая величина может принимать только определенные, а не произвольные значения (то есть физическая величина квантуется).

Кварк (англ. quark — предположительно звукоподражание крику морских птиц) – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/з, не наблюдается в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в том числе протон и нейтрон.

Кевлар (англ. kevlar®) – синтетическое волокно прочнее большинства сталей, создано американской фирмой Du Pont de Nemours & Co. Один из самых прочных материалов, доступных на рынке. Используется в аэрокосмическом конструировании, пуленепробиваемых жилетах и в случаях, когда требуется обеспечить высокую прочность при малой массе.

Кибернетика (древнегреч. кибернетике — искусство управления; древнегреч. кибернао — правлю рулем, управляю; древнегреч. кибернитис — кормчий) – наука об общих законах управления, получения, хранения, передачи и переработки информации в машинах, организмах и обществе.

Киборг (от англ. cybernetic organism — кибернетический организм) – биологический организм, содержащий электронные и механические компоненты. В ряде случаев, наоборот, подразумевается робот, содержащий биологические структуры, например мозг.

Кластер (англ. cluster – объединение) – совокупность двух или более однородных элементов (атомов или молекул), которая может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.

Клейтроника (англ. clay – глина, claytronics – «умная» глина) – новая область в науке и технологии, рассматривающая возможность сборки различных конструкций из отдельных унифицированных строительных блоков-роботов микроскопических размеров.

Когнитивность (лат. cognitio — познание, изучение, осознание) – термин, используемый в нескольких различных контекстах; обозначает способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.

Коллайдер (англ. collide — сталкиваться) большой адронный (Large Hadron Collider, LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) с целью изучения продуктов их соударений. Построен под Женевой (на границе Швейцарии и Франции) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) и на настоящий момент, является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Композит (композиционный материал) (лат. compositio — составление) – многокомпонентные материалы, состоящие из керамической, полимерной, металлической, углеродной или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и других материалов.

Конгломерат (лат. conglomeratus – скопившийся, собранный, скученный) – механическое соединение чего-либо разнородного.

Конденсат Бозе – Эйнштейна — среда из суперхолодных элементов, которые отталкиваются друг от друга, находясь в одном-единственном низкоэнергетическом квантовом состоянии (фактически пятое состояние вещества). Подобное явление наблюдается в экситоне.

Кондиционер (рекондиционер) металла (поверхности) (англ. condition – состояние) – вещество и механизм воздействия на металл (поверхность), позволяющий модифицировать, структурировать, восстанавливать структуру и состав металла (поверхности). Также придает трущимся поверхностям высокие антифрикционные и противоизносные свойства; воздействует, доставляя необходимые компоненты (среду и энергию) от внешних источников (препаратов).

Концепция «зеленой слизи» (англ. green goo problem) – гипотетическая опасность возможности создания разрушительных вирусов и бактерий, которые, быстро размножаясь, уничтожат всю жизнь на планете, разобрав белковые структуры на отдельные молекулы.

Концепция «серой слизи» (англ. grey goo problem) – гипотетическая опасность создания неуправляемых универсальных молекулярных самосборщиков, обученных делать из окружающей среды себе подобные копии, которые сразу же после создания начнут штамповать клоны из доступных молекул и в конце концов всю Вселенную превратят в однообразную серую массу, состоящую только из себе подобных нанороботов.

Кристалл фотонный (греч. кристаллос — лед, хрусталь) – структуры с периодическим изменением коэффициента преломления, влияющие на движение фотонов по аналогии с периодичностью кристаллической решетки обычных кристаллов. Период фотонных кристаллов составляет порядка половины длины волны света: от нескольких десятков до сотен нанометров.

Л

Лаборатория ассемблерная закрытая – рабочее пространство, содержащее ассемблеры, которое закрыто со всех сторон таким образом, что информация может течь внутрь и наружу.

Лептон (греч. лептос — легкий) – фундаментальная частица с полуцелым спином, не участвующая в сильном взаимодействии.

Лиганд (лат. ligo — связываю) – атом, ион или молекула, непосредственно связанные с одним или несколькими центральными (комплексообразующими) атомами в комплексном соединении с образованием «координационной» донорно-акцепторной связи, являющиеся донором электронной пары. При присоединении лиганда к центральному атому химические свойства комплексообразователя и самого лиганда часто претерпевают значительные изменения.

Липосома (мед. liposome, греч. липос — жир и сома — тело, строение) – микроскопический сферический мембранный пузырек (диаметром 2030 нм), искусственно полученный в лабораторных условиях путем добавления водного раствора к фосфо-липидному гелю.

Литография (греч. литос — камень и графо — пишу) – технология переноса рисунка с шаблона на поверхность пластины с помощью светового излучения (фотолитография), потока электронов (электронно-лучевая литография) или рентгеновского излучения (рентгенолитография).

Лонсдейлит (англ. Lonsdaleite) – гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита (а = 0,252 нм, c = 0,412 нм) и плотностью 3,51 г/см³. Найден в 1967 году в метеорите, а затем получен искусственно.

Лотос-эффект (нем. Lotus-effect®) – изначально природное явление несмачиваемости и самоочистки листьев и цветков ряда растений (лотоса, тюльпана и др.), крыльев насекомых. Впоследствии – комплекс технических и технологических решений, широко применяемых в автомобильном сервисе.

М

Масштабный эффект (англ. indentation size effect) – явление, заключающееся в росте твердости при низких и сверхнизких усилиях внедрения индентора (около мкН), которые приводят к образованию отпечатков нанометровой глубины. При нагрузках ниже некоторых критических (зависящих от природы материала, температуры, формы индентора и т. д.) практически все материалы начинают демонстрировать в контакте упругое поведение.

Мембрана (лат. membrana — кожица, перепонка) – тонкая упругая оболочка (перегородка), разделяющая вещества, но обеспечивающая пропускание определенных его компонентов. Например, в биологических системах – для осуществления обмена веществ между клетками; в технических системах – для фильтрации жидких и газообразных сред.

Метаматериал (греч. мета – сверх, за пределами) – композит, обладающий свойствами, которые не встречаются в природе, в частности отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостью. В нанотехнологии метаматериалы могут использоваться для разработки так называемых плащей-невидимок.

Метод ALD (Atomic Layer Deposition) — «атомно-слоевое осаждение» материала на заданную поверхность; метод основан на хемосорбции из газовой фазы и является цикличнодискретным процессом.

Метод CVD (Chemical Vapor Deposition) – «химическое газофазное осаждение» металлов, сплавов или химических соединений на заданную поверхность; метод наномодификации армирующих волокон.

Метод PVD (Physical Vapor Deposition) – метод нанесения нанопокрытия, при котором металлы, сплавы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии или бомбардировки частицами. Иными словами, материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки (физическое распыление с осаждением).

Микроскоп атомный силовой – прибор, который позволяет рассматривать атомы не только металлов, но и других химических веществ.

Микроскоп туннельный растровый – прибор, основанный на возникновении туннельного тока между поверхностью проводника и металлическим острием, удаленным от нее на расстояние около 0,1 нм. При сканировании за счет изменения этого расстояния можно получить рельеф образца с точностью до размеров атомов и молекул. Туннельный растровый микроскоп – основная инструментальная база современных нанотехнологий.

Миметика (др. – греч. миметос – подобие, воспроизведение, подражание, лат. mimesis – подражание) – самовоспроизводящаяся интеллектуальная структура (конструкция), которая может воспроизводиться и эволюционировать, например политические теории, религии, система и т. д.

Мицелла (новолат. micella от лат. mica – крошечка) – частица общим диаметром 10^-7-10^-9 м в коллоидных системах, которая состоит из нерастворимого в данной среде ядра, окруженного стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя.

Молекула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) – наименьшая (простейшая) структурная единица (частица) вещества, которая состоит из атомов, связанных химическим путем.

Н

Нано… (греч. нанос – карлик) – приставка для образования наименования дольных единиц, равных одной миллиардной доле исходных единиц. Обозначения: русское – н, международное – n. Пример: 1 нм (нанометр) = 10⁹ м = 10 А.

Наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.

Наноинженерия изделия (объекта) – изготовление (сборка) изделия или объекта по принципу «снизу вверх» методами силовой зондовой микроскопии (в перспективе – с помощью нанофабрик) с заданными функциональными свойствами для использования на нужды человека.

Наноинженерия поверхности (фр. ingenieur, от лат. ingenium — способность, изобретательность) – методы и технологии формирования поверхностей деталей на наноразмерном уровне с оптимальными прочностными и триботехническими свойствами.

Наноклетки искусственные – нанороботы, дублирующие функции естественных биологических клеток. Размер этих искусственных клеток может быть меньше размера оригиналов, а сами они, как правило, лучше функционируют.

Нанокомпьютер – компьютер, сделанный из компонентов (механических, электронных или др.) в масштабе нанометра.

Нанокристалл – единица наноструктуры, наименьшее количество вещества в кристаллической форме.

Нанолитография — создание «правильных» групп атомов и молекул на подложке из обычного вещества. Это шаг к разработке и конструированию первых деталей наномашин, в том числе ассемблера.

Наноматериал – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и благодаря этому обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наномедицина – слежение, исправление, конструирование и контроль биологических систем человека на молекулярном уровне с использованием наноустройств и наноструктур.

Нанопланктон (лат. nanus — карликовый, греч. планктон — блуждающие) – разнородные карликовые (размером 2-20 мкм) микроорганизмы, которые можно отделить от воды только с помощью центрифуги; не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.

Нанопурга (наношумиха) (англ. nano-hype, от англ. hype — обман) – околонаучные спекуляции (ажиотаж – франц. agiotage — сильное возбуждение, борьба интересов вокруг какого-либо дела, вопроса) в средствах массовой информации, в государственных и коммерческих структурах вокруг разработок в области нанотехнологий.

Наноробот (нанобот) – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, изготовленное с атомарной точностью. Обладает функциями движения, обработки и передачи информации, а также выполнения программ.

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, обусловленных проявлением наномасштабных эффектов и явлений (например, квантово-размерных, синергетически-кооперативных, «гигантских» и др.).

Наноструктура – нанокристаллы, соединенные между собой силами Вандер-Ваальса (при участии электронного газа).

Наносхема — печатная плата, созданная с применением нанотехнологий благодаря возможности получать транзисторы сверхмалых размеров, точно позиционируя отдельные атомы.

Нанотехника – междисциплинарная область науки, которая изучает закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами и молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Нанотехнология (по Танигучи) – процесс разделения, сборки и изменения свойств материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой вещества.

Нанотехнология инкрементная (англ. increment – возрастание, увеличение) – технология значительного усовершенствования существующих продуктов за счет применения наноматериалов.

Нанотехнология молекулярная (по Дрекслеру) – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. В результате объекты получают принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. В более широком смысле – методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнология прикладная – рассматривает задачи и конкретные способы практического применения (реализации) нанотехнологий на нужды человечества.

Нанотрибология – раздел трибологии, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.

Нанотрубка (англ. carbon nanotube, CNT) – трубка нанометрических размеров, состоящая из отдельных атомов углерода и имеющая искусственную структуру. Предназначена для коммуникаций, передачи энергии и сигналов, а также построения новых материалов на базе углерода.

Наноэнергия – количество энергии (теплоты), необходимое для нагрева одного грамм-атома наноструктуры от температуры абсолютного нуля (-273 °C) до полного испарения (возгонки) при температуре кипения.

Номекс (англ. nomex^®) – синтетическое мета-арамидное волокно (полное название мета-фенилендиамин-изофталамид), созданное фирмой Du Pont de Nemours & Co. Полимерная цепочка имеет меньшую прочность, по сравнению с пара-арамидом кевлар, однако является более гибкой, что придает ей хорошие текстильные свойства. Стойкость волокна номекс к изгибу в три раза выше, чем полиэфира. Вследствие высокой термостойкости применяется для фильтрации горячих газов, при изготовлении одежды для пожарных и т. д.

Нуклеация (лат. nucleus — ядро) – первая временная стадия (фаза) наступления фазового перехода от одного агрегатного состояния вещества к другому. Подразделяется на гомогенную (протекающую в однородных средах) и гетерогенную (протекающую в гетерогенных системах). При последней инородные частицы (ионы, пылинки, загрязнения и т. п.) выступают в качестве гетерогенных центров, на которых и зарождаются капли нового агрегатного состояния вещества.

П

Пико… (исп. pico – малая величина) – приставка для образования наименования дольных единиц, по размеру равных 10^-12 исходной единицы. Обозначения: русское – п, международное – р. Пример: 1 пФ (пикофарада) = 10¹² Ф.

Плазма (греч. пласма — вылепленное, оформленное) – в физике и химии – полностью или частично ионизированный газ, иногда называемый четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Поверхность (межфазная граница) – общая часть двух смежных областей пространства различного фазового состояния, обычно толщиной в несколько атомных слоев.

Поверхность ювенильная (лат. juvenilis — юный) – так в трибологии принято называть поверхности, свободные от оксидных пленок и различного рода загрязнений, образующиеся в результате контакта (трения) одной поверхности о другую и обладающих повышенным энергетическим потенциалом.

Препаратремонтно-восстановительный (эксплуатационный) – специальный препарат автохимии, содержащий комплекс химически и поверхностно-активных веществ и предназначенный для восстановления триботехнических свойств поверхности трения и технических характеристик обработанной техники.

Препреги (сокр. от англ. pre-impregnated – предварительно пропитанный) – слоистые наполнители (стеклоткани, углеродные ткани), пропитанные термореактивным связующим, частично отвержденные. Нанокомпозиционные препреги можно успешно применять для изготовления корпусов самолетов и вертолетов, лопастей ветроэнергетических установок и т. д.

Пленка сервовитная (лат. servo vitte — спасать жизнь) – особая структура на поверхностях трения толщиной в несколько сотен нанометров, характерная для эффекта безызносности. В ней реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам.

Р

Реметаллизант (металлоплакирующая, присадка)

(франц. plaquer — покрывать) – порошковая или ионная микро-или нанодобавка на основе пластичных металлов к топливносмазочным материалам, технологическим и другим средам, реализующая эффект избирательного переноса при трении (эффект безызносности).

Репликатор (франц. replique, итал. replica, от лат. replico – повторяю, отвечаю) – наноробот, способный к созданию своей копии, то есть самовоспроизводству. Наиболее очевидные примеры репликаторов – ДНК-последовательности, так как они многократно копируются при делении клеток. Может быть пассивным или активным, конечным или бесконечным.

С

Сажа — аморфный (греч. а – не– и морфи – вид, форма; не имеет кристаллической структуры и, в отличие от кристаллов, не расщепляется с образованием кристаллических граней) углерод – продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях, например при работе дизельных двигателей. Размер большинства частиц сажи, например, в дизельной эмиссии – от 50 до 180 нм.

Светодиод (LED-светодиод) (англ. light-emitting diode, LED) – прибор, основанный на наноразмерных гетероструктурах; преобразует электрический ток в световое излучение.

Сенсор (англ. sensor — датчик) – первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал; широко применяется при построении систем автоматизированного управления.

Сервис безразборный (англ. service – производить осмотр и текущий ремонт) – комплекс мероприятий, направленных на осуществление операций технического обслуживания и ремонта агрегатов без проведения разборочно-сборочных операций. Может включать операции обкатки, диагностики, профилактики, автохимического тюнинга, очистки и восстановления как отдельных трущихся соединений, так машин и механизмов в целом.

Серпентин (лат. serpens – змея, змеевик (устар.)) – минерал группы магниево-железистых гидросиликатов с цветом от зеленовато-желтого до темно-зеленого и пятнами, делающими его похожим на змеиную кожу. Является одним из активных компонентов многих ремонтно-восстановительных нанопрепаратов, особенно геомодификаторов.

Сингулярность (лат. singularis — единственный) – единичность существа, события, явления. В общем виде – точка во временном, понятийном или любом другом пространстве, в которой нарушаются законы, обрывается непрерывный ход вещей.

Сингулярность технологическая (по Курцвейлу) – феноменально быстрый научно-технический прогресс (даже значительнее, чем научно-техническая революция), основанный на мощном искусственном интеллекте (существенно превосходящем человеческий) и киборгизации людей.

Синергетика (греч. син – совместное и эргос – действие) – научное направление, изучающее закономерности, которые управляют процессами самоорганизации в биологических, технических, химических и др. системах.

Т

Термодинамика (греч. термо — тепло и динамис – сила) – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделилась химическая термодинамика, которая изучает физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, и теплотехника.

Техника наносистемная – созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Технологии когнитивные — информационные технологии, специально ориентированные на развитие интеллектуальных способностей, воображения и ассоциативного мышления человека (см. Когнитивность).

Технологии конвергентные – четыре взаимосвязанных научно-технических направления: нанотехнологии, биотехнологии, нейротехнологии и информационные технологии.

Технологии критические – дезавуирующие, ликвидационные технологии, которые фактом своего появления закрывают целые направления исследований или делают бессмысленным дальнейшее их развитие. Например, развитие ракетной техники и межконтинентальных ракет закрыло направление стратегических бомбардировщиков, то есть сделало их обычным, а не стратегическим оружием, фактически свернув программу их развертывания.

Технология фуллеренов – научно-практическое направление, занимающееся как методами производства фуллеренов, так и различными прикладными задачами их использования.

TOH (технология общего назначения) – обычно начинается как весьма грубая технология ограниченного применения, затем быстро распространяется в области новых приложений. Типичные примеры – паровая машина, электричество, железные дороги и компьютеры, послужившие базисом для главных научно-технических революций. В наши дни классический пример ТОН – нанотехнология.

Точка квантовая (англ. quantum dot) – фрагмент проводника (полупроводника), ограниченный по всем трем пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости, достаточно малый, чтобы в нем были существенны квантовые эффекты. Квантовые точки могут быть использованы при разработке QD-LED дисплеев и другой электронной техники.

Трибология (греч. трибос – трение и логос – наука) – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки и самоорганизации в машинах.

Триботехнология — комплекс технических и технологических мероприятий, направленных на практическое использование процесса трения для восстановления и придания поверхностям трения высоких антифрикционных и противоизносных свойств.

Туман конструкторский (англ. utility fog) – наносистема, состоящая из унифицированных строительных нанороботов (фоглетов) и позволяющая собирать различные предметы из отдельных универсальных строительных блоков микроскопических размеров.

Туннелирование – уникальное свойство квантовых частиц, в том числе и электронов, заключающееся в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера в данной преграде. Электрон, который обладает энергией, встретив на своем пути преграду, требующую для прохождения большей энергии, не отражается от этой преграды, но преодолевает ее с потерей энергии.

Тюнинг автохимический – специальная обработка двигателя препаратами автохимии в целях снижения механических потерь на трение и повышения мощности двигателя.

У

Углеволокно (карбон) (лат. carbo — уголь) – композиционный материал на основе армирующего материала из кевлара и матрицы из специальных эпоксидных смол, обладающий высокими прочностными свойствами при малом весе. Широко применяется в самолетостроении и автомобильной технике, а также в спортивных товарах и товарах для туризма и отдыха.

Ф

ФАБО (финишная антифрикционная безабразивная обработка) – метод фрикционного (с помощью трения) нанесения покрытий из пластичных металлов толщиной от 50 до 500 нм на трущиеся поверхности деталей.

Фемто. (датск. femten – пятнадцать) – приставка к наименованию единицы физической величины; служит для образования наименований дольных единиц, по размеру равных 10^-15 доле исходных единиц. Обозначение: русское – ф, международное – f. Пример: 1 фКл (фемтокулон) = 10¹⁵ Кл.

Физика фуллеренов – научное направление в физике по исследованию структурных, механических, электрических, магнитных, оптических свойств фуллеренов и их соединений в различных фазовых состояниях, а также изучению характера взаимодействия атомов углерода в этих соединениях, спектроскопии молекул фуллеренов, свойств и структуры систем, состоящих из молекул фуллеренов.

Фоглет (англ. fog — туман) – частица конструкторского тумана (нанобот), наноробот-блок диаметром около 100 мкм.

Фотовольтаика (греч. фотос — свет) – оборудование для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью специальных полупроводниковых элементов – солнечных батарей.

Фотоника — наука и раздел техники, изучающие генерацию, управление и детектирование фотонов достаточно широкого волнового спектра излучения.

Фрактал (лат. fractus — дробный, ломаный, разбитый) – структура, бесконечная самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба. Например, разветвления трубочек трахей, нейроны, сосудистая система человека, извилины берегов морей и озер, контуры деревьев и т. д. Фракталы имеют место как в клеточной мембране, так и в звездных галактиках.

Форсайт (англ. foresight — предвидение) – систематически организованный процесс, направленный на выявление долгосрочных перспектив науки и технологий, экономики и общества. Применяется для определения стратегических направлений развития инноваций, способных принести наибольшие социальноэкономические блага. Одним из методов реализации таких прогнозов являются «дорожные карты».

Фуллерены (англ. fullerene) – класс химических соединений, молекулы которых состоят только из четного количества атомов углерода. Химически стабильные замкнутые поверхностные структуры углерода, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида.

Фуллериты – твердые фуллерены С₆₀, кристаллы с гране-центрированной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными связями. В кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которых могут находиться посторонние атомы, влияющие на свойства всего материала.

Х

Химия фуллеренов – научно-практическое направление химии, занимающееся созданием и изучением класса фуллеренов. По концепциям и методам исследования во многом принципиально отличается от традиционной химии.

Химмотология – наука о рациональном использовании топлива, масел и автохимии в технике.

Хиральность (англ. chirality, греч. хира – рука) – понятие в химии, характеризующее свойство объекта быть несовместимым со своим отражением в идеальном плоском зеркале.

Хомопарк (англ. homopark) – резервация в труднодоступной местности Земли (других планетах) или специально выделенная территория (по аналогии с зоопарком) для обыкновенных людей в эпоху технологической сингулярности.

Ц

Цеолит (греч. цео — киплю и литос — камень, то есть «кипящий камень») – большая группа близких по составу и свойствам минералов (водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов) со стеклянным или перламутровым блеском. Перспективен в качестве нанотехнологических мембранных материалов (адсорбент, ионообменники, молекулярные сита) для газо– и водоочистительных систем и катализаторов (нефтехимия и нефтепереработка).

Ш

Шунгит – минерал, получивший название от поселка Шуньга в Карелии, где были обнаружены природные фуллерены.

Э

Экситон (лат. exciW — возбуждаю) – элементарная квазичастица (связанное состояние «электрон-дырка»), выступающая как целое образование и возникающая в веществе при наличии небольшого количества атомов примеси, обеспечивающих дополнительные уровни энергии в запрещенной зоне, за которые электрон может зацепиться и остаться в запрещенной зоне, взаимодействуя с дыркой посредством электростатических сил. В экситоне может наблюдаться пятое состояние вещества – конденсат Бозе-Эйнштейна.

Элемент Пельтье (англ. Thermoelectric Cooler, TEC) – термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье – возникновении разности температур при протекании электрического тока. Обратный механизм называется эффектом Зеебека.

Энзимы (ферменты) (греч. зиме – дрожжи, лат. fermentum) – белковые молекулы или их комплексы (молекулярные машины), ускоряющие химические реакции в живых системах.

Энтропия (греч. энтропия — поворот, превращение) – мера неупорядоченности больших систем. Например, в теории тепловых машин – та часть энергии, которая рассеивается в пространстве, не совершая полезной работы.

Эпитаксия (греч. эпи — на и таксис — упорядоченность) – технология выращивания (нарастания) на поверхности моно-кристаллических тонких пленок в соответствии с кристаллической структурой подложки (каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий).

Эффект безызносности (избирательный перенос при трении) – возникает в результате протекания химических и физических процессов на поверхности контактирующих тел, приводящих к образованию на них самоорганизующихся систем толщиной около 100 нм, которые обеспечивают автокомпенсацию износа и снижение коэффициента трения.

Эффект Холла – явление, заключающееся в том, что в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, вектор напряженности которого перпендикулярен направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля.

В начале пути

Там… внизу… еще очень много места…

Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике (1959 год)

Во времена Аристотеля считалось, что мир состоит из четырех элементов (стихий) – воды, земли, огня и воздуха. Этого положения было достаточно, чтобы с той или иной степенью точности объяснить окружающий мир и обеспечить существование человечества всем необходимым на тот период времени.

Ориентировочно в 400 году до н. э. греческий философ Демокрит предположил, что все вещества состоят из особых конечных частиц, которые он назвал атомами. Это было гениальным предположением, опередившим науку на два тысячелетия. Даже после опубликования в 1661 году английским химиком Робертом Бойлем (Robert Boyle) книги, открыто отвергающей учение Аристотеля (философскую основу основ тогдашней науки – алхимии, химии и физики), потребовалось еще несколько веков, чтобы подтвердить догадку древнегреческого философа. Бойль в своей книге утверждал, что все состоит из «корпускул» (лат. corpusculum – частица) – мельчайших частиц материи или эфира, образующих в разных комбинациях окружающие нас вещества, но, естественно, доказать данный факт на тот период было невозможно.

Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) в 1897 году, экспериментируя с электродами, помещенными в трубку с откачанным воздухом, открыл отрицательно заряженные частицы – электроны, имеющие массу 9,1 х 10^-31 кг и заряд 1,6 х 10^-19 Кл.

В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике «В знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

Через год, в 1907 году, английский ученый Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), получивший Нобелевскую премию по химии за 1908 год, открыл атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Вместе они называются адронами (термин предложен советским физиком, академиком Львом Борисовичем Окунем).

Но, как оказалось, нейтроны и протоны тоже не являются конечными частицами. В стандартной модели элементарных частиц протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Гипотеза об их существовании была впервые выдвинута в 1964 году американским физиком Мюрреем Гелл-Манном (Murray Gell-Mann). Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике за 1969 год «За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий». Независимо от него гипотезу о четырех различных «тузах» (от тузов четырех мастей в карточных играх), которыми Гелл-Манн называл кварки, поскольку считал, что их всего четыре, также высказал американский физик Джордж Цвейг (George Zweig). Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи.

Однако это уже пико-, фемто– или даже аттоуровень размеров (табл. 1), относящихся к атомной и даже ядерной физике, а данная книга посвящена нанонауке – отрасли знаний, основанной на изучении объектов и технологий, включающих в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получивших принципиально новые качества, которая также относительно молода.

Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна (Albert Einstein), который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10^-9 м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла (Nikola Tesla). Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Таблица 1. Приставки и множители десятичных кратных и дольных единиц международной системы СИ

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, – это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.

Еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений Эрвина Шредингера (Ervin Schrodinger), описывающие возможность частицы преодолеть потенциальный барьер, когда ее энергия меньше его высоты. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от этой преграды, а с потерей энергии (как волна) преодолеет ее.

Данное явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники.

Следует остановиться на биографии Г. А. Гамова подробнее. Этот ученый много сделал для мировой науки, но так и не был оценен ею в полной мере, чему есть объективные и субъективные причины. В марте 1932 года в возрасте 28 лет Гамов был избран самым молодым членом-корреспондентом отечественной Академии наук за всю историю ее существования. Гамов всячески стремился уехать на Запад. В 1933 году по рекомендации академика Абрама Федоровича Иоффе Гамова на 20 дней направили в заграничную командировку в Бельгию для участия в работе Сольвеевского конгресса и ознакомления с зарубежными физическими лабораториями. Несмотря на клятвенные обещания, из зарубежной командировки в СССР Гамов не вернулся, запросил работу на Западе и был исключен из Академии наук.

Гамова называют трижды нелауреатом Нобелевской премии, так как он участвовал в исследованиях по трем направлениям, авторы которых впоследствии были удостоены этого звания. Гамов является создателем квантовой теории а и р-распада радиоактивных ядер, автором гипотез «горячей Вселенной» (теории Большого взрыва) и генетического кода.

На основе установленной им связи между ядерными процессами и космологией Гамов первым предложил модели звезд с термоядерным источником энергии. В 1942 году совместно с Теллером он разработал теорию строения красных гигантов. В 1946–1948 годах ученый предложил теорию получения химических элементов методом последовательного нейтронного захвата и модель «горячей Вселенной» (теорию Большого взрыва), в рамках которой предсказал реликтовое излучение и рассчитал его температуру. Американские астрофизики Арно Аллан Пензиас (Arno Allan Penzias) и Роберт Вудроу Вильсон (Robert Woodrow Wilson), подтвердившие теорию Гамова, в 1978 году стали нобелевскими лауреатами «за открытие микроволнового реликтового излучения».

Георгий Антонович Гамов. Фото с сайта http://www.peoples.ru

В 1954 году Гамов опубликовал статью, где впервые поднял проблему генетического кода, отмечая, что «…при сочетании четырех нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации», чего вполне достаточно для «записи наследственной информации». Он указывал, что «. кто-нибудь из более молодых ученых доживет до его расшифровки».

Американские ученые-биохимики Роберт Холли (Robert W. Holley), Хар Гобинд Корана (Har Gobind Khorana) и Маршалл Уоррен Ниренберг (Marshall Warren Nirenberg) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1968 года за расшифровку генетического кода, но Гамов, как видим, в число соискателей снова включен не был.

Несмотря на свое сомнительное для американской администрации происхождение, Георгий Гамов привлекался к работе над созданием водородной бомбы и в 1949 году даже побывал на атомном полигоне США, на атолле Бикини.

В 1956 году Г А. Гамов получил премию Калинга за популяризацию науки, а в 1990 году был посмертно восстановлен в звании члена-корреспондента АН СССР.

В 1931 году немецкие физики Эрнст Август Руска (Ernst August Ruska) и Макс Кнолл (Max Knoll) создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. За это открытие в 1986 году Руска получил Нобелевскую премию. В 1939 году компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике (Frits Zernike) открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия 1953 года). Это был вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа мельчайших деталей изображения. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то время не осознали его перспективности.

На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году. Сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О’Кифи (John Aloysius O’Keefe) предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать очень близко расположенный объект. Свет, прошедший через образец или отраженный от него в отверстие, регистрировался в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Дж. О’Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники в середине 50-х годов ХХ века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки (Leo Esaki, Нобелевская премия 1973 года с Айваром Джайевером – Ivar Giaever).

Однако мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их на нанометрическом уровне, «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции 29 декабря 1959 года «Там внизу много места» (There is plenty of space on the bottom) одного из крупнейших физиков ХХ века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана (Richard Phillips Feynman). Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов.», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, в лучшем случае, узлов и деталей машин.

Основоположник нанотехнологии, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.

В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур (Gordon Earle Moore), почетный президент и один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, ученый обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18–24 месяца). При этом их емкость каждый раз возрастала примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг (Russell Young), работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство (пьезодвигатель), применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов (поиска нужных объектов на изучаемой поверхности).

В то же время Дэвид Джонс (David Jones) конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нано-графитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник. Физхимик-органик Эйдзи Осава (Eiji Osawa) предположил существование полой высокосимметричной молекулы С₆₀ со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.

В 1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо (Alfred Cho) и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур (John Arthur) обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач по обработке поверхностей и достижению атомной точности при создании электронных приборов.

В 1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако вскоре работы над прибором были прекращены по экономическим причинам. Через год, в 1972 году, Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 А (1 нм = 10 А), применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 8о-е годы ХХ века в результате исследований Эрика Дрекслера (Kim Eric Drexler), работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).

Эрик Дрекслер, основоположник молекулярной нанотехнологии

Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые сбываются с 1989 года, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Однако, как часто бывает, задолго до работ Дрекслера идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман (John Von Neumann), разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) – первое устройство с клавишным вводом данных.

Роберт Фрейтас (Robert A. Freitas) отмечал: «Ранняя история самовоспроизводящихся систем – это история мышления фон Неймана по данному вопросу». Самовоспроизводящиеся машины (автоматические репликаторы) – ключевое свойство нанороботов, так как эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие, более совершенные создания.

В дальнейшем прогноз развития нанотехнологий рассматривался через представления, сформировавшиеся в более поздних работах Э. Дрекслера и его последователей: Р. Фрейтаса, Ральфа Меркле (Ralph C. Merkle) и др.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигучи (Norio Taniguchi) из Токийского университета. Нанотехнология, по Н. Танигучи, – это «технология объектов, размеры которых составляют порядка 10^-9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой».

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так в 1975 году немецкие ученые-ботаники из Боннского университета (ФРГ) Вильгельм Бартлотт (Wilhelm Barthlott) и Кристоф Найнуйс (Christoph Neinhuis) обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений (Lotus-effect®), а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкий физик Герд Карл Бинниг (Gerd Karl Binnig) и швейцарский ученый Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали растровый туннельный микроскоп (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия 1986 года вместе с Э. Руской). Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова они смогли измерить неровности высотой в один атом. С помощью туннельного микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, собирая из них любое вещество.

Главной проблемой в исследованиях на сканирующем туннельном микроскопе стали фоновые помехи: острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций даже вне лаборатории. Кроме того, прибор позволял исследовать нанообъекты только на электропроводной подложке.

Современные сканирующие микроскопы позволяют различать размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома – атома водорода) по вертикали и около 0,2 нм по горизонтали. По сути, это уже не микроскопы, а наноскопы.

В 1980–1981 годах с разработкой метода получения кластеров при испарении с помощью лазера в сверхзвуковых соплах стало возможным экспериментальное получение кластеров с количеством атомов от 40 до 100. Этот метод был специально разработан для детального изучения многоатомных молекул (в первую очередь металлов переходных структур).

При помощи данного способа в 1984 году немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры, а профессор Герберт Гляйтер (Herbert Gleiter), изучавший структуры различных конструкционных материалов с 1982 по 1985 год, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

В 1985 году коллектив ученых в составе английского химика Гарольда Крото (Harold Walter Kroto) из Сассекского университета, американских химиков Роберта Флойда Керла (Robert Floyd Curl), Джеймса Хита (James Heath) и Шона О’Брайена (Sean O’Brien) под руководством Ричарда Смолли (Richard Errett Smalley) в университете Райса (США) получил новый класс соединений – фуллерены – и исследовал их свойства (Нобелевская премия за 1996 год). Инициатором поиска был Г. Крото, изучавший лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.

Открыватель фуллеренов, лауреат Нобелевской премии Ричард Смолли

В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С₆₀. Грани 60-атомного фуллерена – это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

То, что более десяти лет назад теоретически предсказывали японец Э. Осава и советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн, нашло практическое подтверждение.

В том же 1985 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klietzing) получил Нобелевскую премию за открытие квантового эффекта Холла в 1980 году. Он установил, что в сильных магнитных полях плоского проводника (то есть квазидвухмерного электронного газа) начинают сказываться квантовые эффекты. Это приводит к квантовому эффекту, названному в честь американского физика Эдвина Холла (Edwin Herbert Hall). В 1879 году Э. Холл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму открыл в тонких пластинках золота эффект возникновения поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.

В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомносиловой микроскоп (АСМ), позволивший «рассматривать» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами.

К концу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих туннельных микроскопов.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги Э. Дрекслера Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины творения: наступающая эра нанотехнологий») и последующей дискуссии. Несколько ранее им был опубликован ряд статей по этой проблеме, но они не привлекли внимания научной общественности. Оказалось, однако, что этот термин ранее уже был предложен Н. Танигучи, который под нанотехнологиями понимал любые субмикронные технологии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».

В настоящее время понятие «нанотехнология» включает в себя не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов (направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных явлений и факторов), но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

В это же время специалист по компьютерам Уоррен Робинет (Warren Robinet) и химик Стэн Уильямс (Stan Williams) из Университета штата Северная Каролина изготовили наноманипулятор – робот размером с человека, соединенный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.

Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Дональд Эйглер (Donald Eigler) и Эрхард Швейцер (Erhard Schweizer) из Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов инертного газа ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы (рис. 1). Для получения надписи был использован сканирующий туннельный микроскоп. Сделанная надпись просуществовала недолго – атомы быстро «испарились» с поверхности, однако сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоего вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в определенной позиции как логическое состояние.

Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.

В продолжение этой темы следует отметить, что в 2008 году ученые из Израильского технологического института (Технион) в честь 6о-летия образования своего государства создали уже целую нанокнигу – Библию. Содержание всего Ветхого Завета было нанесено на кремниевую частицу, размеры которой не превышают 0,5 мм² (размер булавочной головки).

Рис. 1. Надпись на монокристалле никеля из атомов ксенона (рисунок с сайта mrsec.wisc.edu/./images/ibm.jpg)

Текст был набран с помощью фокусированного ионного пучка, который вытравливал (с помощью ионов галлия) узор на золотой подложке (толщиной 200 нм), покрывавшей основание из кремния. Само нанесение текста заняло не более полутора часов, но программное обеспечение для управлявшего этим процессом компьютера разрабатывалось более трех месяцев.

Ознакомиться с содержанием этой Библии можно только с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Первый способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллерена (фуллерита) был предложен в 1990 году Вольфгангом Кречмером (Wolfgang Kratschmer) и Дональдом Хаффманом (Donald Huffman) с коллегами в Институте ядерной физики Гейдельберга (Германия).

Углеродные нанотрубки впервые в 1991 году обнаружил японский исследователь Сумио Ииджима (Sumio Iijima) из Лаборатории фундаментальных исследований компании NEC. В поисках фуллеренов он изучал на полярном ионном микроскопе осадок (сажу), который образуется на катоде, когда при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия распыляется графит. Ученого заинтересовал неприглядный серый «обрубок» диаметром 0,8 нм, вырастающий на катоде. Он оказался странным графитовым наноцилиндриком с угольно-черной сердцевиной (подобной карандашу), или как бы закрытым мини-туннелем, построенным из особых видов сажи. Электронная микроскопия осадка показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков нанометров. Их цилиндрические стенки представляли собой сверхустойчивую структуру из шестигранных колец углерода, закрытых по краям полусферическими крышечками из семи– или восьмигранников. Так были открыты нанотрубки и наноконусы.

Открыватель углеродных нанотрубок Сумио Ииджима

На электронных микрофотографиях (рис. 2), полученных с трансмиссионного электронного микроскопа с высоким разрешением, были обнаружены цилиндрические молекулы с пятью (а), двумя (b) и семью (c) концентрическими стенками.

Первые синтезированные нанотрубки были многослойными, и сразу возникла задача синтеза однослойных углеродных нанотрубок. В результате исследований С. Ииджимой было установлено, что добавление небольшого количества порошка катализатора (кобальта, никеля или железа) в графитовые электроды обеспечивает образование однослойных нанотрубок. Металлическая добавка является катализатором, предотвращающим образование фуллеренов и многослойных нанотрубок. При этом наличие катализатора также обеспечивает снижение температуры синтеза, в результате температура вольтовой дуги не превышает температуры, при которой спекаются нанотрубки.

Рис. 2. Первые электронно-микроскопические изображения многослойных коаксиальных углеродных нанотрубок с различным числом концентрических стенок: а – пять; b – две; с – семь

В 1992 году в природном углеродном минерале шунгите были обнаружены природные фуллерены. В дальнейшем различные наночастицы и наноструктуры находили в таких природных материалах, как лед и метеориты, и даже на поверхностях обшивки орбитальных станций. Многослойные фуллерены могут присутствовать и во многих технологических углеродных материалах, например саже.

В 1993 году С. Ииджима и Тошинари Ичихаши (Toshinari Ichihashi) в Японии, а также Дональд Бетьюн (Donald Stimson Bethune) с коллегами в Альмаденском научно-исследовательском центре компании IBM (IBM Almaden Research Centre, Калифорния) практически одновременно открыли одностенные (однослойные) углеродные нанотрубки.

К важнейшим научно-практическим достижениям в следующие десять лет (1998–2008 годы) относят открытия и события, перечисленные ниже.

В 1998 году Роберт Лафлин (Robert Betts Laughlin), Хорст Штермер (Horst Ludwig Stormer) и Дэниел Цуи (Daniel Chee Tsui) были удостоены Нобелевской премии за открытие дробного эффекта Холла, при котором в очень сильных магнитных полях наблюдается кардинальная перестройка внутренней структуры двухмерной электронной жидкости.

Профессор Высшей технической школы в г. Делфте (Нидерланды) Сиз Деккер (Siz Dekker) создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Ему пришлось впервые измерить электрическую проводимость такой молекулы.

В этом же году появились первые технологии создания нанотрубок длиной до 300 нм.

Еще через год (в 1999 году) американские ученые – физик Марк Рид (Mark Reed, Йельский университет) и химик Джеймс Тур (James Tour, Университет Райс) – разработали единые принципы манипуляции одной молекулой и целой цепочкой.

В 2000 году немецкий физик Франц Гиссибл (Franz Giessibl) разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле (Robert Magerle) предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировал немецкий автоконцерн Volkswagen.

В 2001 году Нобелевской премии по физике были удостоены американцы Эрик Корнелл (Eric Allin Cornell), Карл Виман (Carl Wieman) и немец Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) за получение конденсата Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов и за исследование свойств этого конденсата.

Фактически можно с определенной степенью допущения говорить о получении и исследовании (дополнительно к твердому телу, жидкости, газу и плазме) пятого агрегатного состояния вещества.

Новое состояние вещества назвали в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (Satyendra Nath Bose) и А. Эйнштейна, которые еще в 1924 году теоретически предсказали такую возможность при охлаждении атомов до температур, очень близких к абсолютному нулю (о К, или -273,15 °C).

Особенность нового агрегатного состояния состоит в том, что все атомы вещества находятся в одном и том же энергетическом состоянии (имеют одинаковые квантовые характеристики), поэтому объем вещества можно считать одним «сверхатомом» с потенциально уникальными свойствами, способными внести значительный вклад в развитие нанотехнологий.

Уже появляются сообщения о получении еще одного (шестого) состояния вещества – фермионного конденсата (fermionic condensate).

В ноябре 2003 года группа физиков под руководством Деборы Джин (Deborah S. Jin) из объединенной лаборатории JILA Национального института стандартов и технологии Министерства торговли США (Department of Commerce’s National Institute of Standards and Technology, NIST) и Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder, CU-Boulder) (совместно с группой исследователей из Австрии под руководством Рудольфа Гримма (Rudolf Grimm) из Университета Инсбрука) для получения фермионов охладила газ из 500 тысяч атомов калия-40 до температуры, отличающейся от абсолютному нуля всего на 300 нанокельвинов (0,0000003 К).

Воздействуя на фермионный конденсат резонансным магнитным полем, удалось изменить природу взаимодействий между атомами – вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. Это позволило ученым перевести атомы в предшествующее состояние – конденсат Бозе-Эйнштейна (бозонные молекулы).

По мнению ученых, практическое применение фермионов в чистом виде, конечно, невозможно, но их изучение может пролить свет на механизмы явлений сверхпроводимости и сверхтекучести. В перспективе, базируясь на полученных результатах исследований, теоретически возможна разработка сверхпровод-никовых материалов, работающих при нормальных температурах.

При этом следует отметить, что почти ежегодно появляются сообщения об открытии новых форм материи. Это и уже упомянутые конденсаты, и кварк-глюонновая плазма, и материя нейтронных звезд, а также «супертвердое тело».

Впрочем, пока речь идет о чисто фундаментальных исследованиях (в большинстве своем чисто теоретического плана) возможного взаимного превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое и наоборот, а не реально полученного количества коммерчески доступного вещества.

В 2003 году профессор Фенг Лю (Feng Lu) из университета штата Юта (США), взяв за основу наработки Ф. Гиссибла и используя атомный микроскоп, построил образы орбит электронов, анализируя их возмущение при движении вокруг ядра.

В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

В 2007 году нобелевским лауреатом стал немецкий ученый Герхард Эртль (Gerhard Ertl), который удостоился премии за исследования химических процессов, происходящих на твердых поверхностях. На основе работы Эртля созданы технологии, применяемые в двигателях внутреннего сгорания, для производства полупроводников компьютерной техники и т. п., которые можно отнести к наноинженерии поверхности.

Нобелевской премии 2008 года по химии удостоились американцы Осаму Симомура (Osamu Shimomura), Мартин Чалфи (Martin Chalfie) и Роджер Цянь (Roger Tsien) за создание и разработку различных форм зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP).

Это явление впервые было обнаружено у медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. Полученные результаты исследований могут быть применены в нанотехнологических разработках по созданию нового типа мониторов, телевизоров различных дисплеев и т. п., совершенно безвредных для окружающей среды и потребляющих ничтожно малое количество энергии.

На соискание Нобелевской премии по физике 2008 года выдвигался японский исследователь углеродных нанотрубок С. Ииджима, но Нобелевский комитет пока в полной мере не оценил важность его научных достижений. Возможно, награда еще ждет своего героя, как и других исследователей в области нанотехнологий и наноматериалов.

Нобелевская премия по физике 2009 года разделена на две части. Половину премии получил китаец Чарльз Као (Charles Kao), сотрудник британской исследовательской лаборатории города Харлоу (Standard Telecommunication Laboratories) и одновременно проректор университета Гонконга, «За выдающиеся достижения, касающиеся распространения света в волокнах оптических линий связи». Вторую половину разделили сотрудники американской лаборатории Белла (AT&T Bell Labs) Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) «За изобретение светочувствительных полупроводниковых схем – ПЗС-матриц», которые в настоящее время уже широко применяются в большинстве цифровых видеокамер, сканеров, любительских фотоаппаратах и подобных приборах.

Именно У. Бойл и Д. Смит в 1969 году впервые изобрели ПЗС-матрицу (аббревиатура от словосочетания «прибор с зарядовой связью»), или CCD-матрицу (от англ. charge-coupled device, CCD), – специализированную аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных кремниевых фотодиодов.

Ученые занимались разработкой технологий видеотелефонии (picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Японская корпорация Sony одной из первых смогла наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

В настоящее время ПЗС-матрицы выпускают и широко применяют в своей продукции многие известные мировые компании: Canon, Kodak, Matsushita, Nikon, Sony, Fuji, Philips и др.

На основании этого следует заметить, что в ближайшие годы все Нобелевские премии по физике, а также частично по химии и биологии будут присуждаться за исследования и прикладные разработки, так или иначе связанные с нанотехнологическим направлением в науке и технике. Более того, еще раз необходимо подчеркнуть, что предпочтение будет отдаваться исследованиям, которые не просто находятся на стадии лабораторного образца, но уже нашли практическое применение и успешно продаются и применяются в повседневной практике.

Индустриализация нанотехнологий

Рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять триллионы долларов в мировом масштабе.

Дэвид Берубе, профессор Университета Южной Каролины (2008 год)

Развитые страны мира при поддержке правительств и глав государств очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий, оценив перспективы, которые это может принести в будущем.

Первыми в гонку нанотехнологий включились США, которые в 1991 году начали разработку первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Практически одновременно по поручению правительства аналогичную программу начали разрабатывать в Японии. Была намечена серия проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

В Японии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов.

Э. Дрекслер в своей известной книге «Наносистемы» (“Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation’"), вышедшей в свет в 1992 году, на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий по существу в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц: нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т. д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным остается создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы Nanotechnology и Nanobiology, в которых публикуется множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам и их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создаются лаборатории и отделы наноструктур, возглавляемые известными учеными.

На пятой Форсайтовской конференции Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологии» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством – в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологии – квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также проекты, направленные на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них – Atom Craft Project и Aono Project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.

Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правительством США. Так, еще администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа исследований нанотехнологий – «Национальная нанотехнологическая инициатива» (National Nanotechnology Initiative, NNI) – в целях поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности.

Как считают авторы французской книги «Nanosciences: La revolution invisible»¹ профессор Кристиан Жоаким (^ris^n Joachim) и журналистка Лоранс Плевер (Laurence Plevert), именно с NNI закончилось время фундаментально-научного, ресурсосберегающего и экологического аспектов нанотехнологий, началась эра их перевода на практические рельсы и создания наноиндустрии.

Следует отметить, что К. Жоаким является руководителем лаборатории по исследованиям Центра структурных исследований и разработки новых материалов (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) в Тулузе (Франция). Он известнейший специалист в области физики твердого тела и руководитель национальной группы Nanosciences.

В связи с прикладными задачами нанотехнологий надобность в романтике-гуру Эрике Дрекслере отпала. На должность руководителя программы NNI (председателя подкомитета по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологии Национального научного фонда США – National Science Foundation, NSF) был назначен профессор-прагматик Майкл Рокка (Michael Rocca), обладающий значительными коммерческими связями в промышленных кругах Америки.

В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций – участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нанотехнологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долларов) на 42 млн долларов. С 2001 года США инвестировали в данный проект более 8 млрд долларов, что составляет около 25 % всех мировых затрат на нанотехнологии.

В настоящее время в NNI вовлечено более пятисот университетов, частных институтов и правительственных лабораторий, а также около 2000 нанотехнологических компаний США, где разрабатываются более 5000 научно-исследовательских проектов.

С 3 декабря 2003 года в США реализуется закон 21st Century Nanotechnology Research and Development Act («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»), направленный на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки исследований в данной сфере.

В соответствии с этим документом пять государственных организаций – Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство (NASA) и Управление по охране окружающей среды – получили от государства финансирование в размере 3,7 млрд долларов сроком на четыре года для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Национальным институтом здравоохранения.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (в частности, по программе НАТО по нанотехнологии). Правительства и частный сектор все больше принимают нанонауку как источник новых технологий и процветания. Поэтому сфера наноматериалов получает огромные фонды от частных предприятий и правительств.

Для координации процесса становления и развития нанотехнологий в 2002 году в Европе была создана некоммерческая организация «Европейская ассоциация нанобизнеса» (ENA), основная цель которой – содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на использовании нанотехнологий. Главная миссия ENA заключается в обеспечении профессионального развития зарождающегося нанобизнеса в ЕС. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов.

На первом учредительном совещании, организованном Институтом нанотехнологии (Institute of Nanotechnology) в мае 2006 года, впервые были рассмотрены многие вопросы, касающиеся производства и использования наночастиц в экономике государств Европы. Потребность предприятий в новых нанотехнологиях стремительно растет, но как для производителей, так и потребителей разработок остается множество нерешенных вопросов.

В последнее время значительные усилия предпринимаются руководством Китая. Так, например, о развитии в стране соответствующего сектора в целом в той или иной степени можно судить по количеству научных публикаций. До 2001 года Китай уступал по количеству публикаций и США, и Японии, и Германии, но в 2002 году он обошел Германию, а в 2003 году уже и Японию. Общее количество публикаций по нанотехнологической проблематике в Китае составило более 10 000 статей в 2007 году.

Лидером же по числу публикаций в 2007 году оставались США (около 15 000 статей), опережая всю Европу, где выходило чуть менее 12 000 публикаций.

Самыми цитируемыми изданиями (по данным Thomson ISI за 2001 год), публикующими научные статьи в области нанотехнологий, являются мультидисциплинарные журналы Science в США и Nature в Европе.

По официальной статистике, общее количество патентов в области нанотехнологий (более 3000), выданных американским компаниям, университетам и частным лицам, составляет около 40 % от всего количества патентов во всем мире.

Конечно, по словам сотрудника отдела нано– и конвергентных наук и технологий, генерального директората по научным исследованиям Европейской комиссии Ангелы Хульманн (Angela Hullmann), «в сфере нанотехнологий общеизвестно, что значительное число изобретателей, указавших адрес проживания в Азии, работали на американские компании, подавшие патентные заявки. Но огромное количество подобных несоответствий не может быть объяснено только мобильностью ученых. Следует также признать, что научно-исследовательские центры в Азии, принадлежащие американским компаниям, не подают заявки самостоятельно, а предоставляют это американским штаб-квартирам»².

Рассматривая рынок наноматериалов и нанотехнологий, следует отметить разнонаправленность прогнозов и позиций различных экспертных организаций и государственных структур.

По данным консалтинговой компании Lux Research, в 2003 году общемировые суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологии достигли 6 млрд долларов, из них 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов (данные Nanobusiness Alliance и Business Communications Co.). Большая часть из них (около 10 %) в настоящее время приходится на сферу энергетики и нефтепереработки.

В целом, если к началу 2001 года рынок наноматериалов составлял 555 млн долларов, то в 2005 году он превысил 900 млн долларов и в настоящее время продолжает стремительно расти (табл. 2).

Таблица 2. Прогноз рынка нанотехнологий (разные источники)

Как видите, прогнозы значительно отличаются: от роста до 1 трлн долларов США до заметного сокращения рынка нанотехнологий в мировом масштабе. Это связано не только с мировым экономическим кризисом, но и с позицией Европарламента по вопросу применения нанотехнологической продукции в косметической отрасли и медицине, где как раз наблюдаются наиболее высокие объемы производства и продаж (да и не только в этих областях).

Уже сейчас нанотехнологии используются в процессе изготовления (производства) более 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов конструкционных и сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. Практически все крупные высокотехнологичные корпорации, например IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi USA, Corning, DOW, Intel, химическая компания BASF, биотехнологическая Abraxis BioScience и др., активно инвестируют средства в развитие исследований по разработке и выпуску нанотехнологического оборудования и материалов. Ведь применение нанотехнологий способно изменить свойства традиционных изделий, а значит, сделать товар более конкурентоспособным.

Крупнейшими потребителями нанотехнологических товаров являются следующие отрасли (в процентах от общего объема рынка): предприятия, работающие в сфере охраны окружающей среды – 56 %, электроника – 20,8 %, энергетика – 14,1 %.

Сегодня, по оценкам экспертов, на полученную с использованием нанотехнологий продукцию приходится около 0,01 % мирового валового внутреннего продукта (ВВП), а в 2010 году этот показатель может составить уже 0,5 %.

В то же время, по словам Ричарда Аппельбаума (Richard Appelbaum) из Центра нанотехнологий при Университете Калифорнии (Center for Nanotechnology in Society, CNS), оборот рынка нанопродукции в 2014 году может достигнуть 14 трлн долларов, что равноценно 15 % общего выпуска товаров в мире.

Аналогичный прогноз высказывает автор известной книги ««Nano-Hype: The Truth behind the Nanotechnology Buzz», профессор Университета Южной Каролины Дэвид Берубе (David M. Berube) в интервью «Национальная корпорация – разумный подход к инвестициям»³. По его мнению, рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять «…триллионы долларов в мировом масштабе».

Как отметил Президент России Д. А. Медведев на открытии Второго Международного форума и выставки по нанотехнологиям Rusnanotech-09, по прогнозам экспертов, буквально через пять лет (к 2015 году) рынок нанотехнологической продукции вырастет до 2–3 трлн долларов, что сделает его сопоставимым с мировым рынком энергоносителей.

Следует отметить, что, несмотря на мировой экономический кризис, рынок нанотехнологической продукции, по сравнению с другими отраслями, пострадал в значительно меньшей степени и продолжает стремительно развиваться.

В ближайшем будущем, по оценкам Research Techart, наибольшим спросом будут пользоваться не только простейшие наноматериалы (фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки, нанопористые материалы, наночастицы, наноструктурированные металлы), но и такие новые формы наноматериалов, как вискеры, дендримеры и квантовые точки.

Значительный скачок ожидается в разработке, изготовлении и продажах исследовательского и специального нанотехнологического оборудования, наноэлектромеханических систем для продукции наноэлектроники, а также бионанотехнологий для медицинской и косметической промышленности и производства пищевых продуктов.

Становление и развитие нанонауки в России

Сегодня создание и применение нанотехнологий и наноматериалов во многом определяет темпы научнотехнического прогресса, а значит, и перспективы социально-экономического развития России.

Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации

На заседании Международной комиссии мер и весов 7 октября 1958 года было принято предложение известного отечественного метролога Григория Дмитриевича Бурдуна, который еще в 1956 году назвал миллиардную долю метра «нанометром». На этом же заседании было установлено, что в слове «нано» следует писать одну букву «н», как в греческом слове нанос – карлик, а не как в образовавшемся от него латинском слове nannus (океанология).

В 1960 году решением Генеральной конференции по мерам и весам была принята универсальная система единиц физических величин, получившая название Systeme internationale d’unites (Международная система единиц), или SI (СИ), которая и узаконила данные предложения.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский, занимаясь исследованиями аварий авиационной техники, в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия в 1969 году эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др.

Ученые установили, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторыми другими химическими элементами) коэффициент трения уменьшился на два порядка до значения ниже 0,001 (предела чувствительности измерительной установки) – можно считать, исчез совсем. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снизилась.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние.

Позднее в своей книге «Трение и мы» (1987) А. А. Силин пишет: «Экспериментально подтверждалось, что фундаментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10^-7 см (1,0 нм. – Прим. автора), то есть порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения. Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации».

В 1973 году советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн более чем за десять лет до официального открытия команды Р. Смолли сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность.

Теоретическая возможность образования цилиндрических нанотрубок была предсказана в 1977 году советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании высказал Леонид Александрович Чернозатонский, что также значительно раньше их официального открытия.

Более того, в научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в начале 50-х годов прошлого столетия, но детально они изучены не были. Так, в 1952 году в «Журнале физической химии» была опубликована статья сотрудников Института физической химии РАН Леонида Викторовича Радушкевича и Всеволода Михайловича Лукьяновича «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте»⁴, в которой описаны нитевидные углеродные образования диаметром 50 нм, обнаруженные с использованием электронного микроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Углеродные трубчатые наноструктуры (увеличение в 20 000), полученные Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукьяновичем

Анализируя полученные результаты, авторы работы сделали следующие выводы: «При исследовании структуры сажи, полученной из окиси углерода на железных контактах, было обнаружено, что сажа состоит из частиц сложного строения. Большинство частиц имеет вытянутую червеобразную форму с характерными окончаниями, свидетельствующими о направленности роста. Частицы, выращенные в некоторых случаях на отдельных крупинках железа в атмосфере окиси углерода, имеют правильную нитевидную форму с плотными окончаниями. В первой стадии в результате химической реакции взаимодействия СО с железом образуются нитевидные зародыши. Во второй стадии за счет образования на ней кристаллов графита протекает поперечный рост частиц. Окончательно выросшие частицы представляют собой продукт роста и деформации первичных частиц. Обнаружены необычные формы сдвоенных частиц, переплетенных между собой. Образование этих агрегатов протекает по особому механизму, детали которого ждут своего объяснения».

В это же время руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходеев впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Первая отечественная нанотехнологическая установка в СССР, созданная под руководством Петра Николаевича Лускиновича, осуществляла направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. Она заработала в 1987–1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта».

Рассматривая наиболее весомые достижения российских ученых в области практической нанотехнологии, следует отметить награждение в 2000 году Нобелевской премией в области физики Жореса Ивановича Алферова и его американских коллег Герберта Кремера (Herbert Kromer) и Джека Килби (Jack St. Clair Kilby) за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Известная в настоящее время светодиодная техника как раз и базируется на так называемых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким направлениям. Наиболее крупные из них – «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро– и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверх-микрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК– и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.

Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук – Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал академик РАН Евгений Павлович Велихов, а его заместителем – академик РАН Ж. И. Алферов.

В 2008 году создана общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР). Президентом НОР на 2008–2009 годы избран академик РАН Юрий Дмитриевич Третьяков (МГУ).

Главная цель НОР – развитие творческой активности своих членов, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставит своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.

В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией NT-MDT (Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физикотехнического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT-MDT Co. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 4).

24 апреля 2007 года Правительством Российской Федерации утверждена «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года». Ее цель – создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети (ННС) для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

В настоящее время также реализуется Федеральная адресная инвестиционная программа, программы РАН и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и ряд федеральных целевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации, предусматривающих развитие различных специализированных направлений наноиндустрии.

Рис. 4. Анодно-окислительная литография портрета Ж. И. Алферова с использованием АСМ (2,0x30 нм)

Основные направления работ в области нанотехнологий – это федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 годы», «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы», «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

Федеральное государственное учреждение Российский научный центр (РНЦ) «Курчатовский институт» назначен головной организацией по нескольким основным направлениям: «Нанобиотехнологии», «Наноэнергетика» и «Нанотехнологии ТЭК». Он также является профильной организацией по направлениям «Наноэлектроника», «Наноинженерия», «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», «Функциональные наноматериалы для энергетики», «Функциональные наноматериалы для космической техники», «Конструкционные наноматериалы», «Композитные наноматериалы», «Нанотехнологии для систем безопасности».

В настоящее время в мире в общей сложности выдано более 10 000 патентов на изобретения в области нанотехнологий. Более 2030 патентов зарегистрировано в России, но из них отечественными патентообладателями являются не более 30 человек.

Конечно, следует отметить, что огромное количество отечественных патентов и заявок на изобретения просто проходят по другим классам и поэтому не отнесены к нанотехнологиям. Не случайно Европейское патентное ведомство (European Patent Office, EPO) выступило с инициативой идентификации патентов по нанотехнологиям и присвоению им специального кода.

Можно сослаться на исследования японских ученых⁵, которые указывают, что «…отмечается активизация усилий стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай)» по темпам роста числа патентных заявок в сфере нанотехнологий.

В России накоплена обширная научная (теоретическая) база по нанотехнологиям. В мировом списке наиболее цитируемых работ в области нанотехнологий находятся труды более 50 российских ученых из 23 организаций. Из них чаще всего упоминаются именно научные коллективы нобелевского лауреата академика Ж. И. Алферова (ФТИ им. Иоффе и НОЦ РАН) и профессора Р. З. Валиева (Уфимский авиационный институт). По данным Lux Research, в 2005 году на Россию приходилось около 5 % всего объема публикаций по нанопроблематике, и наши авторы занимали девятую позицию, вслед за США, Японией, Китаем, Германией, Южной Кореей, Францией, Великобританией и Италией.

Однако отечественные ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов не могут развивать свои исследования и внедрять их в производство.

Не мудрено, что многие из них для продолжения исследований и внедрения научных разработок уезжают в страны, где материальные возможности для их реализации значительно выше.

Аналогичная ситуация складывается и с сотрудниками Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), где на каждом шагу слышна русская речь.

Для реализации государственной политики и развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов по созданию перспективных нанотехнологий и наноиндустрии была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех», с 20 августа 2008 года – «РОСНАНО»). В ее уставной капитал государством направлены огромные для российской науки средства – 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах.

Корпорация является некоммерческой организацией и действует в целях содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, а также их внедрения в производство и сферу услуг.

В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вицепремьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом “нанотехнологии” – это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще есть какие-нибудь нанотехнологии. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить.».

Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство не будет выделять деньги. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.

Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов.

«РОСНАНО» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Приоритетные направления инвестирования выбираются на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.

Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «РОСНАНО», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования. Они разработаны одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Раховским.

На конец сентября 2009 года, по заявлению главы ГК «РОСНАНО» Анатолия Чубайса, на конференции, посвященной итогам двухлетней работы корпорации, на рассмотрении в «РОСНАНО» находится более 1200 проектных заявок с общим бюджетом 1452,7 млрд рублей, в том числе с долей корпорации 928,5 млрд рублей. Всего одобрено 36 проектов (из них – 32 производственных), и продолжается процесс по экспертному отбору пяти заявок ежемесячно. Общий объем инвестиций по этим проектам составил почти 94 млрд рублей, из них более половины средств (52,4 млрд рублей) уже внесено корпорацией. На рассмотрение поступили также восемь проектов от зарубежных заявителей.

В 2009 году ГК «РОСНАНО» было запланировано инвестировать в проекты в сфере нанотехнологий 30,3 млрд руб. Всего в 2009 году «РОСНАНО» планировала отобрать 50 проектов, прошедших квалифицированную многоуровневую экспертизу. Большая часть из них будет профинансирована в 2010 году.

Только от реализации данных проектов к 2015 году будет получено 155 млрд рублей выручки, а объем всей отечественной наноиндустрии, по планам главы «РОСНАНО», достигнет 900 млрд рублей.

Основными направлениями инвестиционной деятельности «РОСНАНО» являются следующие отрасли:

• солнечная энергетика и энергоснабжение;

• наноструктурированные материалы;

• медицина и биотехнологии;

• машиностроение и металлообработка;

• опто– и наноэлектроника;

• развитие нанотехнологической инфраструктуры.

«РОСНАНО» вкладывает значительные средства – около 3.3 млрд рублей – в четыре проекта по созданию композитных материалов (в том числе различные сверхвысокомолекулярные волокна) для аэрокосмической техники. В 2015 году объем реализации этой продукции достигнет 21,7 млрд рублей.

В оптическую и наноэлектронику вкладывается около 3.4 млрд рублей (из них средства корпорации – 1,8 млрд рублей). Выручка в этой области через шесть лет должна составить около 7,4 млрд рублей.

Особое место уделяется солнечной энергетике и медицине. В энергетику «РОСНАНО» инвестировала 3,6 млрд рублей, а в развитие нанотехнологической медицины – 1,3 млрд рублей. К рубежному 2015 году планируется уровень продаж 10,3 и 4,6 млрд рублей соответственно.

В целом, по планам российского правительства и научной общественности, в 2015 году Российская Федерация в общем объеме должна изготовить продукции с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн долларов. Уже сейчас в России работают более 100 предприятий, выпускающих нанотехнологическую продукцию мирового качества (табл. 3).

Таблица 3. Некоторые наиболее известные отечественные производители нанотехнологической продукции

Как заявил вице-премьер Сергей Иванов, к развитию нанотехнологий необходимо привлекать также средний и малый бизнес, создавая для этого «оптимальные условия»: «Госкорпорация – это только одна структура, а мы хотим создать наносеть по всей стране».

Государственная корпорация «РОСНАНО» выделяет следующие основные тематические направления создаваемой национальной наносети:

• конструкционные наноматериалы (углеродные материалы, металлы, сплавы, стекла, керамика, полимеры);

• композиционные наноматериалы;

• функциональные наноматериалы с особыми физическими свойствами и высокочистые вещества;

• функциональные наноматериалы для энергетики;

• функциональные наноматериалы для космической техники;

• нанобиотехнологии (наномедицина, нанофармакология, нанотехнологии для сельского хозяйства);

• нанотехнологии топливно-энергетического комплекса (ТЭК);

• наноэнергетика;

• наноэлектроника;

• наноинженерия;

• нанотехнологии для безопасности;

• метрология и стандартизация в области нанотехнологий.

Как уже отмечалось, поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, «РОСНАНО» развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.

С 3 по 5 декабря 2008 года в Москве был успешно проведен Первый Международный форум по нанотехнологиям (Rusnanotech-2008), в рамках которого состоялись пленарные заседания с участием высших должностных лиц страны и организаторов науки, отвечающих за развитие этой научно-технологической сферы, прошли панельные дискуссии и научно-технические секции по различным областям нанотехнологий.

В общей сложности мероприятия форума посетили свыше 9000 человек. С докладами и презентациями в рамках форума выступили более 1400 представителей мировой наноиндустрии, государственной власти, бизнеса и науки из 33 стран. Научные доклады участников конференции опубликованы в трех сборниках, причем отдельным сборником вышли доклады молодых ученых, принявших участие в работе форума. В выставке приняли участие 309 российских и зарубежных компаний, продемонстрировавших свои самые последние достижения.

Второй Международный форум по нанотехнологиям прошел 6–8 октября 2009 года в Москве, также в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр» (рис. 5).

По словам главы государства Д. А. Медведева, рынок российской наноиндустрии к 2015 году должен достигнуть объема в 900 млрд рублей. При этом четверть произведенных в отрасли товаров пойдет на экспорт, что позволит снизить зависимость экономики страны от продажи энергетических ресурсов. В ближайшие пять лет государство планирует вложить в развитие нанотехнологий 318 млрд рублей.

В рамках открытия Rusnanotech-2009 прошло награждение первой Международной премией в области нанотехнологий (Rusnanoprize-2009) российского физика-теоретика академика РАН Леонида Вениаминовича Келдыша и американского профессора Альфреда Чо за разработку «Полупроводниковые сверхрешетки и технология молекулярно-лучевой эпитаксии».

Рис. 5. ««Нанотехнологическая деревня» корпорации ««РОСНАНО» на Втором Международном форуме и выставке по нанотехнологиям Rusnanotech 09

В 1962 году академик Леонид Келдыш опубликовал первые теоретические работы, в которых предсказал уникальные свойства периодических (слоистых) полупроводниковых наноструктур – гетероструктур. Эти работы послужили отправной точкой для разработки технологии, позволяющей выращивать наноструктуры с атомной точностью, и последующего ее применения в электронике и оптоэлектронике.

В конце 60 – начале 70-х годов прошлого века ведущий сотрудник Bell Laboratories, профессор Альфред Чо разработал основы технологии, получившей название «молекулярно-лучевая эпитаксия», за что и получил столь высокую награду. Уже в 1978 году французская компания Riber S.A. выпустила первые промышленные установки, работающие по данному принципу.

В настоящее время наногетероструктуры, полученные методами молекулярно-лучевой эпитаксии, практически незаменимы при производстве оборудования сотовой телефонии и развития Интернета, полупроводниковых источников света (светодиодов, лазеров), фотоприемных устройств различного назначения, фотовольтаики, разработке сенсоров для интеллектуальных систем управления и развития робототехники.

На форуме были проведены научно-практические конференции, комплекс панельных дискуссий, а также докладов деловой части и научно-технологических секций, презентаций компаний, приборов и оборудования. Важнейшей частью форума снова стала специализированная выставка, на которой были представлены современные образцы отечественной и зарубежной нанотехнологической продукции, новейшие разработки в области нанотехнологий, оборудование для наноиндустрии.

Для решения задач в области развития нанотехнологий (нанонауки, наноиндустрии) необходим комплекс мер по подготовке, привлечению и закреплению кадров, прежде всего молодых специалистов, работающих в области нанотехнологий и наноматериалов, а также дальнейшее повышение их квалификации.

По расчетам ГК «РОСНАНО», для выполнения только проектов, инвестируемых госкорпорацией, необходимо около 150 000 специалистов. При этом 100 000 из них должны иметь высшее образование. Во многих учебных заведениях нашей страны начата подготовка кадров в области нанотехнологии.

В целях популяризации научных и прикладных исследований в области нанотехнологий особое место уделяется широкой пропагандистской кампании в печатных и электронных средствах массовой информации. С этой целью в России выпускается около десятка специализированных печатных журналов: «Российские нанотехнологии», «Нанотехника», «Нанотехнологии и наноматериалы», «Наноиндустрия», «Нано– и микро-системная техника», «Нанотехнология», «Наноструктурное материаловедение», «Нанотехнологии. Экология. Производство», «Форсайт» и др.

Очень активную позицию занимают в русскоязычных ресурсах интернет-издания Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы» (http://www.portalnano.ru), «Нанометр» (http://www.nanometr.ru), «Нано Дайджест» (http://nanodigest.ru), «Российский электронный наножурнал» (http://www.nanojornal.ru), «Сайт о нанотехнологиях № 1 в России» (http://www.nanonewsnet.ru), «Официальный сайт потребителей нанотоваров» (http://www.nanowere.ru) и др.

Несмотря на достаточно насыщенный и плодотворный путь, пройденный нанонаукой, все же стоит отметить, что мы все еще находимся в начале пути ее развития.

Как указывает академик РАН Ю. А. Третьяков, в своем отношении ко всему новому, в том числе к нанотехнологиям, человечество переживает две основные стадии. Необоснованные ожидания через «положительную», а затем «отрицательную» гиперболизацию представляющихся возможностей. В Японии, например, уже выдвигаются «анти-» или «постнанотехнологические» инициативы.

Важно, чтобы своеобразный «нанотехнологический бум» не прошел стороной, не сумев породить в душах и помыслах людей, особенно в сердцах ученых и политиков, ни малейшего желания и энтузиазма для успешного развития нанонауки и наноиндустрии. Однако важно также, чтобы он не захлестнул их с головой, не бросил в пучину спекуляций и ненужного ажиотажа, получившего полууголовное определение «нанопурга».

Природные нанообъекты и наноэффекты

Как великий художник, природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.

Генрих Гейне, немецкий поэт, публицист, критик

В 1665 году сын английского священника Роберт Гук (Robert Hooke) в своей работе Micrographia первым опубликовал рисунки обнаруженных им микроорганизмов, за которыми наблюдал через простейший микроскоп собственного изготовления.

После того как голландский торговец и изобретатель Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek) создал свой первый микроскоп с увеличением уже в более чем 200 раз, появилась возможность заглянуть на уровень микрообъектов вооруженным глазом. Оказалось, что окружающий нас мир наполнен разнообразными микроскопическими биологическими созданиями.

В 1683 году Левенгук написал письмо в Королевское научное общество в Лондоне, где описал бактерии «как невероятно большое собрание крошечных организмов». Именно эти биологические наблюдения Левенгука принято считать одними из первых научных исследований в мире. Как заметил еще в I веке до н. э. древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, «изучение и наблюдение природы породило науку».

С развитием науки оказалось, что о нанометрической сущности многих на первый взгляд простых объектов, материалов и эффектов мы порой даже и не подозреваем.

Как уже отмечалось, сам термин «нано» изначально появился именно применительно к биологическим объектам.

На семинаре в Германии в 1909 году в Берлинском экологическом обществе известный немецкий биолог Ганс Ломанн (Hans Lohmann) предложил новый термин – нанопланктон. Этим термином он назвал разнородные карликовые (размером менее 5 мкм) микроорганизмы, которые отделяются от воды только с помощью центрифуги, не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.

Наполнением планктона, который наблюдал ученый только через оптический микроскоп, служат диатомеи, кокколитофориды, бактерии, некоторые простейшие, а также водные растения группы кремниевых жгутиконосцев.

Более того, в настоящее время различают еще и пикопланктон, состоящий из бактерий и наиболее мелких одноклеточных водорослей размером 0,2–2 мкм, а также фемтопланктон из океанических вирусов величиной менее 0,2 мкм. Как видим, их реальные размеры не имеют ничего общего с размерностью системы СИ, но широко используются океанологами всего мира.

Если реальные размеры бактерий исчисляются микрометрами, то белки занимают размерную нишу в диапазоне 4-50 нм. Аминокислоты имеют величину около 1 нм, а размер большинства вирусов – всего от 10 до 200 нм (табл. 4).

Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли 1–4 млн человек, представляет собой сферу диаметром 80-120 нм (рис. 6).

Таблица 4. Размеры некоторых биологических нанообъектов

Вирусы – это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) – гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.

Рис. 6. Вирус гриппа H2N2 (диаметр около 100 нм)

До конца XIX века в медицине «вирусом» называли любой инфекционный объект, вызывающий заболевание. Современное определение термин получил только после 1892 года, когда русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский обнаружил «фильтруемость» возбудителя мозаичной болезни табака (табачной мозаики). Он установил, что какие-то вещества клеточного сока из пораженных этой болезнью растений даже после фильтрации от бактерий вызывают то же заболевание у здоровых растений. Так были открыты вирусы.

Отличительная особенность этих и других биологических и биогенных объектов – их способность к агрегации (объединению элементов в одну систему) и самоорганизации. Данные свойства активно используются в нанобиотехнологиях при создании искусственных наноконструкций, обладающих некоторыми свойствами реальных биологических структур.

Характерный пример – различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы – особые мембранные структуры, способные при определенных условиях формироваться из жира или жироподобных веществ (липидов). Уже сейчас различные вирусы эффективно используются в генной трансфекции (модифицировании) клеток. Например, установлено, что аденовирусы (представитель группы ДНК-вирусов) с разрушенной способностью к размножению (саморепликации) имеют потенциальную возможность для использования в местной неинвазивной (без инъекций) вакцинации через кожу (рис. 7). Для направленной доставки лекарственных средств также подходят следующие искусственные биогенные структуры: циклические пептиды, хитозаны, липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии, наночастицы на основе нуклеиновых кислот.

Существуют предположения, что на базе вирусной частицы можно создать подвижный металлизированный электрический проводник. Для подобных экспериментов наиболее подходит вирус табачной мозаики (длина 120 нм), содержащийся в соке пораженных им растений. При этом листья больных растений покрываются специфическими табачными пятнами. По мнению академика Иосифа Григорьевича Атабекова⁶, этот вирус можно использовать как средство доставки внутрь клетки нового гена, несущего на себе специальную вакцину. Ученый предлагает осуществлять сборку вирусоподобных частиц из химерных субъединиц вирусного белка, а затем применять их в лечебных целях в качестве наноконтейнеров для доставки лекарственных средств к пораженным клеткам организма.

Рис. 7. Внешний вид и строение аденовируса: 1 – капсомеры; 2 – геном

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляет собой двойную упакованную наноцепь, в которой две нуклеотидные наноцепи закручены одна вокруг другой с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм (рис. 8).

Рис. 8. Структура молекулы ДНК

Важным достижением в области эволюционных нанотехнологий являются работы ученых из Университета Брауна и Бостонского колледжа с молекулами ДНК. По сообщению сайта physorg.com, они сумели использовать возможности кодирования информации, которыми обладает молекула ДНК, для производства проводящих микроволокон из окиси цинка. Применение молекулы ДНК в качестве «сборочного устройства» и строительного материала нанотехнологий также обусловлено тем, что фосфат в ее составе несет отрицательный заряд. Нановолокна из оксида цинка формируются на поверхности углеродных нанотрубок. Поэтому впервые уникальные свойства ДНК были использованы для создания наноматериала с заданными свойствами. Уникальность свойств полученных наноструктур состоит в том, что они генерируют и обнаруживают свет, а при приложении механического усилия производят электроэнергию. Оптические и электрические свойства нановолокон можно использовать во многих областях: от медицинской диагностики до сенсоров.

По мнению доктора Адама Лазарека (Adam Lazareck) из Университета Брауна, использование молекул ДНК для создания наноматериалов – первый шаг в применении биологических объектов в качестве средств производства.

В ходе эксперимента молекулам ДНК была обеспечена среда для обычной работы по «производству» деталей наноконструкций. Формирование такой химической среды, молекулярный дизайн и соответствующую «механику» – светочувствительные белки или вирусные «моторы» – можно применять для создания сверхминиатюрных приборов и материалов. При этом впервые в мировой практике группа Лазарека использовала ДНК в качестве «инструкции» для систем «самосборки» наноэлементов.

На основе одинаковых по размерам нанотрубок были произведены унифицированные структуры, состоящие из миллиардов подобных элементов, равномерно распределенных на поверхности пленки из окиси алюминия. На концах нанотрубок поместили фрагменты ДНК, несущие информацию в виде последовательности 15 «букв» генетического кода. Эти фрагменты специфически комплементарны ленте из других 15 кодонов (триплетов), соединенных с наночастицами золота и играющих роль «сборочных устройств». Создание нановолокон завершилось после введения в химическую среду арсенида цинка и ее последующего нагревания до 600 °C. В результате образовались волокна из окиси цинка длиной порядка 100–200 нм.

В настоящее время установлено, что наночастицы из золота или полупроводников можно прикрепить практически к любым биологическим молекулам, чтобы затем с помощью электронных приборов контролировать их поведение. «Такую процедуру можно проводить на расстоянии, обратимо и точно, – заявляет Шугуан Чжан (Shuguang Zhang), заместитель директора Центра биомедицинской инженерии Массачусетского технологического института, один из авторов исследования. – Это пригодится, чтобы как следует разобраться в тонкостях взаимодействия между молекулами».

Инициатором подобных работ был квантовый физик Джеймс Якобсон (James Jacobson). Он начал заниматься биологией, чтобы создавать машины нанометрового размера, оперирующие отдельными атомами и молекулами. Ученый поставил сложную цель, поскольку до сих пор инженеры с большим трудом делают компьютерные чипы меньше 30 нм. Вместе с тем в живом организме очень много более компактных систем: любая живая клетка – это своего рода биозавод с источниками энергии, чертежами клеточного хозяйства, средствами производства и утилизации.

Дж. Якобсон и его коллеги из Центра биомедицинской инженерии прикрепили к молекуле ДНК особую радиоантенну, собранную примерно из сотни атомов металла. При облучении радиоволнами определенной длины молекула переходила в новое состояние.

Управление биомолекулами с помощью радиосигналов – самое современное направление исследований, способное произвести революцию и в методах исследования живого мира, и в биотехнологиях. Можно будет во всех деталях изучать поведение отдельных живых молекул, не травмируя близлежащие клетки. Ш. Чжан привел такое сравнение: «Можно разговаривать с человеком из толпы через громкоговоритель, а можно – по мобильному телефону».

Однако чудеса нанотехнологий не заканчиваются вирусами и бактериями. Например, ящерица геккон может удерживать вес своего тела на вертикальной плоскости, касаясь ее только одной лапой. Щетинки на лапах геккона притягиваются к поверхности благодаря силам межмолекулярного взаимодействия Вандер-Ваальса. Каждая щетинка в нижней части расщеплена на тысячи тончайших волосков с лопаткообразными кончиками, которые взаимодействуют с ровной поверхностью на молекулярном уровне. Создание аналога лапке геккона на базе нанотехнологий позволит решить проблему безопасности высотных работ, изготовить сверхнадежные тормозные системы, удобную бесшовную одежду и многое другое.

Главной идеей, к которой пришел Р. Фейнман, размышляя о возможности создания микронных механизмов, было то, что человек должен учиться у природы, подражая ей при создании механизмов «снизу вверх». Так, в своей книге⁷ ученый пишет, что его видение красоты цветка сильно отличается от видения художника. Фейнман представляет себе цветок не только в сантиметровом масштабе, но может также увидеть все его клетки и вообразить сложные процессы, которые в них происходят, и в этом тоже есть своеобразная красота. Джеймс Глейк полагал, что интерес Фейнмана к молекулярным и атомным структурам был связан с тем, что тот много размышлял над вторым началом термодинамики и связью между энтропией и информацией. По мнению Глейка, Фейнману казалась удивительной способность живых организмов хранить и воспроизводить генетическую информацию для создания подобных себе сложных механизмов, которые обусловливали их существование⁸.

Задача современной науки – заметить, правильно оценить и успешно применить на практике уникальные явления природы, основанные на нанотехнологиях (да и не только), которые природа смогла создать за миллиарды лет эволюции.

Об одном таком открытии, нашедшем в последующем широкое применение в строительстве и технике, мы расскажем подробнее.

В середине 70-х годов XX века ученые-ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются. Этот феномен был замечен в наноструктурированных поверхностных областях изучаемых растений. Впоследствии данное явление было запатентовано и названо «лотос-эффектом» (Lotus-effect®) в честь наиболее яркого представителя таких растений.

Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты: как известно, листья и нежно-розовые цветки лотоса распускаются в грязной тине водоемов безупречно чистыми (рис. 9).

Рис. 9. Долина лотосов и капля влаги на поверхности листа

После детального исследования этого феномена самоочистки открылись удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается и у других растений (листья капусты, люпина (рис. 10), камыша, водосбора, тюльпана), а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природным свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического (споры грибков, микробов, водоросли и т. д.) происхождения.

Рис. 10. Капли дождя на несмачиваемом листе люпина

С помощью электронных микроскопов учеными было обнаружено, что поверхности листьев, цветков и побегов покрыты тонкой внеклеточной мембраной – поверхностным слоем (эпидермисом, кожицей). Эпидермис некоторых растений выделяет воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров. Жиры и жироподобные вещества, входящие в состав липидов (природных органических соединений), – одни из основных компонентов биологических мембран. Липиды участвуют в обмене между растениями и окружающей средой (рис. 11).

Рис. 11. Поверхность листа лотоса под электронным микроскопом

Взаимодействие между твердыми телами и окружающей средой происходит почти исключительно в поверхностных (пограничных) слоях (межфазовой зоне), что справедливо и для этих биологических систем. Биологические поверхности, созданные за миллионы лет в результате эволюции, являются максимально оптимизированными мультифункциональными системами. Они обеспечивают механическую стабильность, терморегулирование, контроль водно-солевого обмена, газовое регулирование и т. д. Постоянное загрязнение листьев растений нарушает в них многие биологические процессы.

Лотос-эффект не является случайным феноменом, он возник в результате эволюции и вызван необходимостью выживания растений. На живую ткань отрицательно воздействуют (более высокий нагрев под солнечным облучением, действие кислоты и др.) органические формы в виде спор грибков, бактерий или водорослей. Лотос-эффект предотвращает появление патогенных субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а в отсутствии дождя нет и влаги как условия для жизнедеятельности, размножения и паразитирования спор.

На оптимизированных поверхностях (например цветке лотоса) проявляются супергидрофобные качества, благодаря которым мед и даже клей на водной основе не прилипают, а полностью стекают с поверхности.

Степень увлажнения твердого тела описывается с помощью контактного угла а, входящего в формулу с поверхностной энергией а на различных межфазных границах в соответствии с законом Кассье⁹:

cos α = (σ_{т – г} —σ_{т – ж})/σ_{ж – г},

где σ_{т – г} – напряжение на межфазной границе «твердое тело – газ», МПа;

σ_{т – ж} – напряжение в межфазной границе «твердое тело – жидкость», МПа;

σ_{ж – гг} – напряжение в межфазной границе «жидкость – газ», МПа.

Нулевой контактный угол обеспечивает полное увлажнение. Это значит, что капля воды стремится растянуться к состоянию моно-молекулярной пленки на поверхности твердого тела. Контактный угол 180° указывает на совершенную несмачиваемость, так как капля касается поверхности только в одной точке. Материалы с высоким напряжением граничных поверхностей увлажняются лучше, чем даже, например, тефлон – материал с одним из самых низких напряжений граничных поверхностей. Поведение воды зависит от состояния поверхности. Если относительно гладкая поверхность увлажняется достаточно, самоочистка улучшается (рис. 12).

Рис. 12. Капля жидкости на супергидрофобной поверхности (капля касается листа только в нескольких точках, стягивается за счет поверхностного натяжения к шару и свободно скатывается при самых незначительных углах наклона)

Попавшая на поверхность листа капля воды удаляет с него частицу загрязнений. При этом частицы не проникают во внутреннюю часть капли, а равномерно распределяются по ее поверхности. Замечено, что гидрофобная субстанция удаляется каплей воды с гидрофобной поверхности. При рассмотрении условий протекания лотос-эффекта на наноскопическом уровне механизм этого явления становится более понятным.

С помощью закона Кассье можно объяснить, почему значение контактного угла для поверхности, а следовательно, условие несмачиваемости (самоочистки) можно легко изменить, придав поверхности необходимый в данном случае наноразмерный рельеф.

Представим массажную щетку, на зубьях которой лежит клочок бумаги, изображающий частицу загрязнений. Пятно «грязи» расположено только на самых вершинах зубьев, не соприкасаясь с поверхностью щетки (рис. 13, б). Сила адгезии (прилипания) «грязи» обусловлена площадью поверхности взаимного контакта. Если бы поверхность была гладкой или макрорельефной (рис. 13, а), площадь контакта оказалась бы значительной, и «грязь» удерживалась бы достаточно прочно. Однако из-за острых концов зубьев площадь контакта минимальна, и «грязь» как бы «висит на ножке». То же происходит и с каплей воды. Она не может «растечься» по остриям и поэтому стремится свернуться в шарик (рис. 13, б).

Рис. 13. Положение капли воды на а) макро– и б) наноповерхности

Аналогичное явление происходит с различными видами загрязнений на восковых кристалликах, покрывающих листья лотоса. Площадь соприкосновения загрязнений с поверхностью листа крайне незначительна. При этом силы сцепления между каплей воды и частицей загрязнения оказываются значительно более высокими, чем между этой же частицей и восковым слоем листа.

У загрязнения есть две возможности: продолжать неустойчиво балансировать на шипах или «слиться» с гладкой ровной поверхностью движущейся водной капли, вследствие чего частицы загрязнений притягиваются к поверхности водной капли и легко смываются даже небольшим количеством воды. Капли воды, обволоченные повстречавшимися на пути хлопьями грязи, скатываются вниз, оставляя за собой чистую сухую поверхность.

В соответствии с исследованиями Кассье, защитные водоотталкивающие свойства оперения водоплавающих птиц в основном обусловлены их особой ребристой структурой, а не наличием на перьях защитных жироподобных веществ, тогда как в случае с поверхностью листа лотоса эти свойства только дополняют друг друга. Водяные клопы-водомерки (лат. Gerridae), известные своими возможностями легкого перемещения (скольжения) по поверхности воды, также используют это природное явление. Тело и кончики ног этих насекомых покрыты не смачиваемыми в воде волосками, обеспечивающими их столь удивительные возможности.

Так как лотос-эффект основан исключительно на физикохимических явлениях и свойствах растений и не привязан только к живой системе, то самоочищающиеся поверхности можно технически воспроизвести для всевозможных материалов. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению самоочищающихся поверхностей и покрытий.

Наиболее широкое применение нанотехнологии на основе «эффекта лотоса» получили в автомобильной промышленности, строительстве, при производстве защитных тканей и в ряде других отраслей: это специальные препараты для лакокрасочного покрытия (краски, лаки, полироли, шампуни); непромокаемые зонты, плащи, брезент; водоотталкивающие спортивные купальные костюмы, антивандальные краски и покрытия для общественного транспорта и фасадов строений; незапотевающие стекла, зеркала, керамическая плитка; малозагрязняющийся бактерицидный текстиль и др.

Существуют и многие другие природные нанообъекты и наноэффекты, которые мы будем описывать в соответствующих разделах книги.