Наноматериалы для мегаоткрытий

Человеку, особенно неискушенному в скучных научных изысканиях, свойственно верить в чудеса и искать универсальные средства для достижения всех своих желаний, чтобы легко получить все и сразу. Как философский камень – для алхимиков древности или как волшебная палочка Гарри Поттера – для мечтателей современности.

Судя по тому, что повсюду говорят в средствах массовой информации, сейчас как средство быстрого решения почти всех современных целей и вызовов, стоящих перед Человечеством, как своеобразная чудодейственная панацея, рассматриваются нанотехнологии. Оправдан ли этот эйфорический оптимизм и как можно воплотить нанотехнологические мечты в реальность?

Исследовательские работы последних 10–15 лет, действительно, открыли важную роль нанотехнологий в различных областях науки и техники (информационных технологиях, медицине, физике, химии, материаловедении, биологии, экологии и т.д.).

Произошла своеобразная революция, поскольку нанотехнологический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уровне, что не было реализуемо еще несколько лет назад. Лучшим символом идеи универсального получения наноматериалов (и вообще материалов с контролируемыми свойствами) можно считать «демона Макксвелла» – гипотетического существа, которое может сортировать молекулы и, следовательно, могло бы «собирать» любой материал с любыми свойствами из элементарных «кирпичиков» – атомов.

Рис. 1. Тот самый демон Максвелла.

Увы, дойти до такой фантастической «детализации» процесса синтеза принципиально невозможно. Действительно, сейчас с помощью очень тонких игл (острий атомно-силовых микроскопов и других приемов) можно упорядочить нужные атомы поштучно (это впервые сделали ученые фирмы IBM с атомами газа кислорода, которым мы дышим). Но… в количестве всего нескольких штук.

Для того, чтобы собрать таким образом сколько-либо полезную и реально работающую на человека структуру, потребуется бесконечно большое время и бесконечно большое количество энергии (работы), причем в условиях космически низких температур – иначе атомы самопроизвольно разбредутся во все стороны. Это – одно из выражений так называемого второго закона термодинамики, который уж точно носит универсальный характер и в своей простейшей формулировке гласит: чудес не бывает – вода в чайнике сама собой не может закипеть или замерзнуть, а сам чайник (все его миллиарды миллиардов атомов) не могут одновременно «прыгнуть» в одном направлении, так чтобы сам чайник самопроизвольно переместился в пространстве.

Рис. 2. Графическая интерпретация второго закона термодинамики (случай 1).

Рис. 3. Графическая интерпретация второго закона термодинамики (случай 2).

Да, действительно, сейчас очень много говорят о «нанороботах» – подобных демону Максвелла искусственных машинах небольшого размера, которые, как предполагают, могут делать все. Однако кто сделает сами «нанороботы» настолько сложными, чтобы они могли выполнять требуемые от них действия? Демон Максвелла мог бы, но он не существует, иначе наш мир был бы не таким, каков он есть!

Таким образом, мы приходим к основному вопросу – вопросу о сроках реализуемости нанотехнологических идей и путей создания эффективных (в том числе – экономически) нанотехнологий для массового использования.

Рис. 4. Медицинский наноробот общего применения.

Решения есть, напрмер, при использовании принципов самоорганизации вещества наноматериалы могут создаваться "снизу вверх”, то есть, как и предполагалось выше, от молекул к надмолекулярным структурам, в отличие от практикуемого до последнего времени подхода создания наноматериалов "сверху вниз”, когда мелкие объекты создаются из крупных путем измельчения. Управляя размерами и формой наноструктур, можно в определенных рамках придавать таким материалам совершенно новые, практически выгодные (часто рекордные!), свойства, резко отличающиеся от имеющихся у обычных материалов – прародителей, то есть добиться желаемой цели.

Однако для этого нужно детально исследовать всю систему, а система должна быть сложной и открытой, иначе упорядочения с образованием необходимой, правильно собравшейся, структуры не произойдет. Подходы самоорганизации (коллективного поведения атомов с образованием упорядоченной структуры) сокращают наши усилия, однако такие процессы реализуются в узком диапазоне условий – и при полном соблюдении всех законов нелинейной термодинамики, то есть при наличии большого числа ограничений.

На этом примере становится понятно, что на самом деле основным компонентом развития нанотехнологий должен быть выверенный, профессиональный научный подход, требующий больших усилий, знаний и финансовых вложений в дорогостоящие фундаментальные исследования. Поэтому нанотехнологии не могут быть мгновенной панацеей от всех наших проблем, а их развитие займет время даже в условиях жесточайшей нанотехнологической гонки, стартовавшей во всем мире. Если не учитывать налет ажиотажа, существование наноматериалов закономерно и не подрывает никаких известных нам основ мироздания, просто пришло их время. Возникновение нанотехнологий «просто» означает качественный скачок в философии получения практически важных веществ – создание невидимых простых глазом сложных устройств и систем, размеры которых находится в диапазоне размеров надмолекулярных образований.

«Обычная» химия работает с молекулами и атомами, в этом уже давно нет ничего необычного. «Обычная» промышленность работает с тоннами и кубометрами, к этому тоже все привыкли. Наноматериалы – продукт нанотехнологий – это нечто особое, что гораздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже один грамм такого «хайтековского» вещества способен решить множество проблем. Это – пример современной «гомеопатии», которая поставлена на вполне научную основу и глубоко продумана.

Рис. 5. Объекты исследования «обычной» химии – молекулы и атомы.

Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам объемного вещества. Итак, наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, делающих их вне конкуренции по сравнению с другими веществами, находящими практическое использование в деятельности человека.

Нанофильтры позволяют отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины. Наночастицы также могут «таскать» за собой необходимые лекарства или ферменты, программируемо доставляя их к заранее выбраной цели, например, раковой опухоли, а также при гипертермии (дозируемом перегреве опухоли вплоть до гибели раковых клеток среди окружающих их нормальных тканей).

Характерной особенностью наночастиц является также отсутствие точечных дефектов. Это делает, в частности, полупроводниковые наночастицы («квантовые точки») идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. А индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающей прочность лучшей стали, при этом они во много раз выигрывают у стали и по своей удельной массе. Все эти признаки вполне объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тонна обычного вещества, и что их производство – вопрос не количества, не тонн или километров, а качества человеческой мысли, «ноу-хау» (от английской know how – «знаю как»).

Рис. 7. Различные модификации углеродных нанотрубок.

Начали борьбу за нанотехнологии американцы – и не случайно, поскольку это могла реально сделать лишь сильная и технически развитая страна, не чуждая политизации научных идей.

В 1959 г. будущий нобелевский лауреат по физике Р.Фейнман прочитал лекцию с аллегорическим названием "Внизу полным-полно места: приглашение войти в новый мир физики, в мир миниатюризации». В ней Фейнман рассказал о фантастических перспективах, которые сулит изготовление материалов и устройств на атомном или молекулярном уровне.

Рис. 8. Ричард Фейнман.

В 1974 г. на конференции Японского общества точного машиностроения впервые был использован термин "нанотехнология”. В год начала перестройки в бывшем СССР (это, конечно, совпадение), а точнее, в октябре 1985 г., был сделан доклад национальной академии США посвященный созданию новых материалов.

В 2001 г. была объявлена национальная нанотехнологическая инициатива США, которая, что важно, сопровождалась вливанием очень весомых средств (полмиллиарда доллара) из бюджета Соединенных Штатов. Следует признать, что пример был очень заразителен – к 2004 г. мировые инвестиции составили 12 миллиардов долларов. Началась нанотехнологическая гонка. Приз был зрим и весом – по прогнозам к 2015 г. стоимость нанотехнологической продукции должна составить 1 трлн. долларов.

Возникновение нанотехнологий и исследование наноматериалов глубоко закономерно. Сначала были путешествия, великие географические открытия и новые торговые пути. Человек изучил сполна два измерения нашего пространства – георгафические широту и долготу. Затем разнообразные капитаны Немо исследовали глубины океана, а Юрий Гагарин вышел за рамки Земли – человек начал покорять Космос. Это, несомненно, дало чрезвычайно многое – и перспективы освоения новых горизонтов, и понимание процессов, происходящих на нашей Земле и вне ее, особенно в области освоения новых источников энергии. Людям покорилось третье измерение. Потом люди задумались о времени и постепенно научились изучать как геологические и космические события, длящиеся миллиарды лет, так и быстротечные фемтосекундные процессы, значительны более быстрые, чем, скажем, выстрел или удар молнии. Это было уже четвертое измерение, дающее ключ к пониманию того, как именно все ранее изученные процессы происходят в действительности.

На рубеже 20 и 21 веков случилось, наконец, новое чудо – мы вплотную приблизились к покорению пятого измерения – Микромира, что и ознаменовалось возникновением нанотехнологий.

«Гагариным» микрокосмоса был изобретатель первой увеличительной линзы – Левенгук. В настоящий момент даже самые дорогие оптические микроскопы, увы, для визуализации нанообъектов принципиально неприемлемы в силу своего малого разрешения и увеличения, которое должно составлять не тысячу крат (это предел оптических микроскопов), а сотни тысяч и миллионы раз. Так, типичные нанообъекты в сотни и тысячи раз меньше бактерий, которые наблюдал Левенгук. Они во столько же раз меньше нас с вами, во сколько раз человеческое тело меньше планеты Земля. Поэтому сейчас бороздить просторы микромира могут лишь те, кто обладает дорогим оборудованием – наисовременнейшими электронными и атомно-силовыми микроскопами, которые, в отличие от оптических микроскопов, стоят сотни тысяч и даже миллионы долларов. И даже этого мало – этим оборудованием нужно уметь профессионально пользоваться. В то же время, добиться стадии визуализации – необходимо, но совершенно недостаточно для принадлежности к касте исследователей наномира.

Нанотехнологии – чрезвычайно сложная, профессиональная, междисциплинарная область, объединяющая на равных усилия дипломированных химиков, физиков, материаловедов, математиков, медиков, специалистов в области вычислительных методов и др. Талантливые дилетанты и романтики, к сожалению, часто не обладают необходимой подготовкой или необходимыми возможностями, а также не всегда могут распознать, что они изобретают (в который раз!) велосипед, не зная текущего положения дел в том ворохе разноплановой научной информации, которая появляется ежечасно. В области наноматериалов удивительным образом переплетены как глубоко фундаментальные научные основы, так и прорывные (как любят говорить наши официальные лица) аспекты практического использования человеческих знаний. Только полностью контролируемая исследователем цепочка от новой (или на современном политико-экономическом языке – инновационной) идеи до синтеза, анализа и установления практически-важных свойств могут помочь войти в элитный клуб исследователей наномира.

Нанотехнологии – детище современной фундаментальной науки. Последние достижения свидетельствуют о возможности создания новых поколений функциональных материалов и проекты возможного использования нанотехнологий затрагивают практически все области человеческой деятельности. В то же время, постепенно происходит переосмысление научных фантазий, которые приобретают черты реалистичности. Нанотехнологии – капиталовложение человечества на долгие годы, но только если им разумно распорядиться и позволить ученым, а не политикам или менеджерам, использовать нанограммы высокотехнологичной продукции для будущих мегаоткрытий.

По материалам одноименной статьи заместителя декана факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова член-корреспондента РАН, профессора Гудилина Е.А.

Источник(и):

1. Факультет Наук о Материалах(МГУ)