Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.3. Новейшие достижения в области наноматериалов
Наноматериалы – это материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из их наноразмеров.
_ Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.
_ Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие известные формы углерода – алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
_ Графен – монослой атомов углерода, полученный в 2004 г. в Манчестерском университете. Графен используется как детектор молекул, позволяющий контролировать приход и уход единичных молекул. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему он оказывается перспективным материалом, заменяющим кремний в интегральных микросхемах.
_ Наноаккумуляторы – в начале2005 г. компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий–ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10–15 минут. Компания начала производство аккумуляторов, что дало возможность создания электромобиля. В мае 2006 г. успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов, после чего был получен первый заказ на поставку литий–ионных аккумуляторов для электромобилей.
_ Наномедицина – направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне. ДНК-нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе заранее заданных структур.
_ Нанофармакология – промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис – пептиды).
_ Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса.
Методы исследования. В силу того, что нанотехнологии – междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используются те же методы, что и в классической биологии, химии, физике. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологий является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ).
В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только классические зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов). Исследования свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа проводятся на воздухе при атмосферном давлении, в вакууме и даже в жидкости. СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например, с классической оптической микроскопией и спектральными методами.
С помощью сканирующего зондового микроскопа можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности – так, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона.
При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10?11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4–10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов, охлаждение микроскопа позволяет избавиться от термодрейфа.
Для решения задач, связанных с точным измерением топографии, свойств поверхности и с манипуляцией нанообъектами посредством зонда сканирующего атомно-силового микроскопа, была предложена методология на особенность – ориентированного сканирования (ООС). Этот подход позволяет в автоматическом режиме реализовать нанотехнологию поэлементной сборки наноустройств (сверху – вниз). При этом работа производится при комнатной температуре, поскольку ООС в реальном масштабе времени определяет скорость дрейфа и выполняет компенсацию вызываемого дрейфом смещения. На многозондовых инструментах ООС позволяет последовательно применить к нанообъекту любое количество аналитических и технологических зондов, что даёт возможность создавать сколь угодно сложные нанотехнологические процессы. Однако в большинстве случаев нет необходимости манипулировать отдельными атомами или наночастицами, и достаточно обычных лабораторных условий для изучения интересующих объектов.