Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.2. Фундаментальные основы нанотехнологий
В 2009 г. группа учёных из университета Висконсин–Мэдисон до-
казала, что законы трения в макро- и наномире аналогичны.
Современная тенденция к микроминиатюризации технических устройств показала, что вещество электронной техники может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого материала.
Частицы размерами от 1 до 100 нм обычно называют наночастицами. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства. Например, сверхтонкие пленки органических материалов применяются для производства солнечных батарей. Такие батареи, хотя и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, более дёшевы и механически гибки. Удалось добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самопроизвольно выстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также проявляет необычные свойства.
Нанообъекты делятся на три основных класса. Трёхмерные частицы получаются путём взрыва проводников, с помощью плазменного синтеза или восстановления тонких плёнок. Двумерные объекты (плёнки) создаются методами молекулярного или ионного наслаивания. Одномерные объекты (вискеры) производятся методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д.
Существуют также нанокомпозиты – материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил метод микролитографии, применяемый в электронике: он позволяет получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм. Методы CVD и ALD в основном применяются для создания тонких микронных плёнок. Следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв. Прочие методы используются в научных целях.
Особый класс нанообъектов составляют органические наночастицы, имеющие структуру как естественного, так и искусственного происхождения.
Поскольку многие физические и химические свойства наночастиц, в отличие от объемных материалов, зависят от их размеров, в последние годы проявляется интерес к методам измерения их размеров в растворах: анализ траекторий наночастиц, динамическое светорассеяние, седиментационный анализ, ультразвуковые методы.
Особое внимание привлекают синергетические свойства наночастиц как свойства их самоорганизации и возникновения самоорганизующихся процессов. Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологиями – как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства.
Этой проблемой занимается раздел химии – супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между ними, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров – белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы – структуры, включающие несколько молекул белков.
Однако явления самоорганизации не замыкаются только на спонтанном упорядочении молекул и/или иных частиц в результате их взаимодействия. Существуют и другие процессы, которым присуща способность к самоорганизации, не являющиеся предметом супрамолекулярной химии. Одним из таких процессов является электрохимическое анодное оксидирование (анодирование) алюминия.
Проблема образования агломератов. Наночастицы имеют одно свойство, которое затрудняет их использование. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы имеют многообещающие перспективы в отраслях производства керамики и металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений – использование веществ – диспергентов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимый в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.