Нанотехнологии: возникновение и развитие

Д. Н. Нуреева

НАНОТЕХНОЛОГИИ: ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

Ключевые слова: нанотехнология, нанонаука, наноиндустрия, наночастицы, нанокристаллы.

Статья посвящена молодой и быстроразвивающейся области науки «нанотехнология». Она рассказывает о возникновении понятия и развитии «нанотехнологии», как новой ветви в науке и технике.

Keywords: nanotechnology, nanoscience, nanoindustry, nanoparticles, nanocrystals.

The article is about young and high developing field of science «nanotechnology». It tells about the rising of the meaning and «nanotechnology» development as a new wave in science and technics.

В последние годы наука и техника подошли к некоторому важному рубежу, преодоление которого может значительно изменить все условия человеческого существования - развитие нанонауки и нанотехнологий. На сегодняшний день наноиндустрия является наиболее перспективным направлением в науке и технике.

Нанотехнологию трудно определить точно, ее возникновение происходило постепенно и в течение десятилетий, и ее можно назвать результатом развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии в XX веке. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология реально существует, и эта область является быстроразвивающийся.

Термин «нанотехнология» (nanotechnology) был введен в 1974 г. Норио Танигучи [1], который определил его как «технология производства, позволяющая достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры ...порядка 1 нм ...». Более близким к истине стало определение Нанотехнологии, данное Альбертом Франксом в 1987 г. [2]

«Нанотехнология - это производство с размерами и точностями в области 0.1-100 нм».

C точки зрения разработок и производства научно-технологических комплексов и контрольноизмерительного оборудования для нанотехнологии мы обратимся к вопросам практических применений. Поэтому нанотехнология - это прежде всего именно технология, т.е. «совокупность приёмов и способов получения, обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий ...» [3], характерные размеры, либо точности изготовления которых составляют величины на уровне или ниже 100 нм.

Ученые многих стран в этой области сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате «освоения» и практического применения многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время и только сейчас ставших основой новых технологий. Благодаря достижениям нанотехнологии, многое из области фантазии человечества уже стало реальным и еще многое может стать реальностью в ближайшем будущем.

Нанотехнология открывает новые

перспективы перед электроникой, оптикой, химической промышленностью, энергетикой,

медициной, биотехнологией и многими другими областями [4].

Все в нашем мире движется, и человеческое сознание постоянно стремится познать строение мира. На сегодняшний день уже известно, что кирпичиками всего земного являются мельчайшие атомы. Сегодня все накопленные знания и опыт относительно «маленького мира» объединили в новое направление в науке, которое получило название «нанотехнология». В действительности, данное это преобразование было необходимо, потому что на современном этапе жизни компактность, технологичность и экономичность выходят на первый план.

В последнее время термин «нанотехнология» стал очень популярным. Он объединяет разнородные представления и подходы, а также методы воздействия на вещество. Новое название науки возникло просто в результате добавления к весьма общему понятию «технология» приставки «нано», означающей изменение масштаба в 10-9 (миллиард) раз, т.е. 1 наномерт=1 нм=10-9 м, что составляет одну миллиардную привычного нам миллиметра. Нанометр - это миллиардная часть метра. Наночастица в тысячу раз меньше микроба.

К нанотехнологии принято относить

процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых «больших интегральных схемах», широко

применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. С другой стороны,

интересно, что многие вирусы имеют размер 10 нм, 1 нм почти точно соответствует характерному размеру белковой молекулы.

Можно сказать, что нанотехнология объединяет все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами. Именно, поэтому, она представляется весьма перспективной для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т.д [5]. Реально оценить и представить себе масштабы развития и возможности применения нанотехнологий в целом невозможно.

Нанотехнологию можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами

в масштабах 1-100 нм. Использование характерных особенностей веществ на расстояниях порядка

наномеров создает дополнительные, совершенно

новые возможности для создания технологических приемов, связанных с электроникой,

материаловедением, химией, механикой и многими другими областями науки [6]. Получение новых материалов и развитие новых методик ведут к

настоящей научно-технической революции в информационных технологиях, производстве

конструкционных материалов, изготовлении

фармацевтических препаратов, конструировании сверхточных устройств и т.д.

Классическим примером достижений

нанотехнологии стала разработка сканирующих

туннельных микроскопов. Работая с этим микроскопом, экспериментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития и стали проводить

прямые технологические операции на атомном уровне.

В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. С другой стороны, одновременно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств.

В полупроводниковых технологиях вот уже более полувека происходит непрерывная революция, и при сохранении нынешних темпов развития вся кремниевая технология, примерно через некоторое время, может столкнутся с проблемами принципиального характера, так как быстродействие и степень интеграции в ЭВМ достигнут некоторых «принципиальных» границ, определяемых известными нам законами физики. Таким образом, дальнейший прогресс науки и техники требует от исследователей существенного «прорыва» к новым принципам работы и новым технологическим приемам.

Такой революционный прорыв может быть осуществлен только за счет использования нанотехнологии, которая позволяет создавать целый ряд принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств на их основе [7]. Расчеты показывают, что использование

нанотехнологий может превысить основные характеристики полупроводниковых вычислительных и запоминающих устройств на три порядка. Это станет, безусловно, настоящей революцией в области информационных технологий и окажет огромное воздействие на экономическое и социальное развитие общества в XXI веке.

Нанотехнология безгранична, она охватывает все области исследования живой и неживой природы. Помимо локального революционного прорыва нанотехнологии в областях электроники и информационных технологий, получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники, сюда можно отнести медицину, биологию, химию, экологию, энергетику, механику, животноводство, растениеводство, строительство и др. Создание

высокочувствительных биологических датчиков позволяет говорить о возникновении новой науки -нанобиотехнологии, и имеющие огромные перспективы практического применения.

Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создание на этой основе новых производных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.

Наноиндустрия является на сегодняшний день наиболее перспективным направлением в науке и технике. Ведущие экономические державы США, Япония, Россия, Китай и страны ЕС в настоящее время формируют рынок в сфере наноиндустрии, который растет с каждым днем.

С целью создания мощной конкурентноспособности в России принята программа развития наноиндустрии. Утвержден проект формирования и развития рынка наноиндустрии в России, состоящий из трех этапов. Программа разработана Министерстовом образования и науки РФ до 2015 г. и позволит создать конкурентно способные производства на мировом рынке высоких технологий и формирование научно-технического потенциала России.

На сегодняшний день в области нанотехнологий в России были достигнуты значительные результаты, что позволяет с уверенностью сказать, что наноиндустия широко развивается в разных областях.

На кафедре биотехнологии МИТХТ им.М.В .Ломоносова разрабатываются липосомные формы для лечения различных патологий. Некоторые из них уже производятся, другие проходят клинические испытания или находятся на различных стадиях исследования. Очень привлекательны наносуспензии-нанокристаллы лекарственной субстанции, стабилизированные поверхностно активными веществами, в частности, фосфолипидами.

Другая интересная область - квантовые точки. Это нанокристаллы полупроводников размером менее 10 нм. Они имеют уникальные оптические свойства. Квантовые точки уже нашли применение в качестве меток для белков, нуклеиновых кислот, клеток. Для соединения их с биологическими объектами, поверхность нанокристаллов покрывают органическими веществами с активными группами.

Кроме того, наночастицы могут служить матрицей для сборки ансамблей на своей поверхности, а их, в свою очередь, можно использовать как блоки для сборки более сложных конструкций, состоящих из нескольких наночастиц [8]. Нобелевский лауреат Фейнман еще в середине прошлого века предложил концепцию нанороботов -механизмов манометровых или микронных размеров, которые были бы способны собирать заданные наноструктуры, транспортировать их к

месту действия и саморазбираться после выполнения миссии.

На отечественных текстильных предприятиях идет внедрение ряда наноэмульсий на кремнийорганической основе, специфические свойства, которых во многом определяются именно предельно малым размером, образующих их частиц.

Нанотехнология охватывает обширную область научных и технических интересов, относящихся к информатике, экологии, энергетике, материаловедению и т.д. Она связана с химией, физикой, медициной, физическим материаловедением, электроникой и многими другими дисциплинами. Это осложняет проблему выработки государственной стратегии, поскольку стратегия должна не только интенсифицировать междисциплинарные

исследования, но учитывать необходимость координации различных министерств и ведомств.

Термин «нанотехнология» имеет широкое значение «Ядро» нанотехнологии представляет собой сложное «переплетение» и пересечение

взаимосвязанных представлений и функций.

Нанотехнология выступает связующим звеном, объединяющим подходы и методики разных дисциплин [9]. Непосредственно с этим обстоятельством связана основная трудность в развитии и практическом внедрении нанотехнологий -необходимость постоянного сотрудничества и согласования между учеными разных специальностей, и между организациями из разных ведомств.

Как уже отмечалось ранее, нанотехнология возникла на стыке нескольких наук, в которых традиционные направления развития вышли на некие естественные границы, которые обусловленные законами физики, что потребовало выработки нового общего подхода. Особенно сильно эти пределы роста замечаются в информационных технологиях.

Развитие науки и техники раньше практически всегда означало реализацию фантазий, то есть воплощение той или иной конкретной мечты человечества. Иными словами, до сих пор технические достижения становились «наградой» за долгие поиски в определенной области. Однако в случае нанотехнологий мы сталкиваемся с ситуацией, порождающей совершенно неожиданные

возможности. Люди раньше никогда не задумывались серьезно, например, о возможности полного «ремонта»

раковых клеток, о «нацеленном» приеме лекарственных препаратов в организм, о создании сверхмалых вычислительных устройств с

практически бесконечным объемом памяти на молекулярном уровне и др. Подобные задачи, скорее, относились к области научной фантастики.

Сегодня мы видим, что нанотехнология -это совершенно новая область науки и техники, которая будет оказывать огромное воздействие на экономику, общественную жизнь и

промышленность XXI века.

Литература

1. N. Taniguchi «On the Basic Concept of «NanoTechnology» / Taniguchi N. // Proc. ICPE Tokyo, 2. - 1974. - P.18-23.

2. A. Franks «Nanotechnology» / Franks A. // J. Phys. E: Sci. Instrum. 20. - 1987. - P. 1442-1451.

3. Российский энциклопедический словарь: В 2 кн. - / Гл. ред.: А. М. Прохоров - М.: Большая Российская энциклопедия, 2001, - Кн. 1: А-Н., Кн. 2: Н-Я. - 2015 с.

4. Серова, В.Н. Нанокомпозиты на основе прозрачных полимеров / В.Н. Серова // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - №9. - C.221-227.

5. Муртазина Э.М. Нерешенные проблемы нанотехнологии: химическая обработка с помощью самосборки (краткий обзор зарубежных публикаций) / Э.М.Муртазина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. -Т. 14, №15. - С.12-17.

6. Нигматуллина, А.И. Оценка совместимости наночастиц органоглины с компонентами динамических термоэластопластов на основе полипропилена и бутадиен-нитрильных каучуков / А.И. Нигматуллина, С.И. Вольфсон, Н.А. Охотина, С.В. Крылова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - №6. - C.204-207.

7. Вольфсон, С.И. Динамические термоэластопласт на основе бутадиен-нитрильного каучука и полипропилена, модифицированного нанонаполнителем / С.И. Вольфсон, А.И. Нигматуллина, Н.А.Охотина, Р.К. Сабиров // Материалы Международного Симпозиума «Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций». - 2010. - С.193-197.

8. Вольфсон, С.И. Термопластичная резина, модифицированная монтмориллонитом / С.И. Вольфсон, Н.А. Охотина, А.И. Нигматуллина, Р.К. Сабиров, В.В. Власов, Л.В. Трофимов // Каучук и резина. - Москва, 2010. - №3. - C. 11-14.

9. Wolfson, S.I. Nanocomposites based on dynamically vulcanized thermoelastoplastic, modified by montmorillonite / S.I. Wolfson // 7 Annual European Rheology Conference AERC 2011. - Suzdal, Russia. - 2011. - P.68.

© Д. Н. Нуреева - канд. филол. наук, асс. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, ndaniya@hotmail.com.