125816 (Наномолекулярні технології)

Нанотехнологіями — в широкому значенні слова прийнято називати міждисциплінарну область фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра (нанометр — це одна мільярдна частка метра або, що те ж саме, одна мільйонна частка міліметра (діаметр людської волосини становить близько 80 тис. нанометрів).

Вужче значення цього терміну прив'язує нанотехнології до розробки матеріалів, приладів і інших механічних і немеханічних пристроїв, в яких застосовуються подібні закономірності. Нанотехнології мають справу з процесами, які протікають в просторових областях нанометрових розмірів.

Тобто нанотехнології можна означити як технології, основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями.

Інша назва — наномолекулярні технології (від «нано» — К.Ерік Дрекслер, 1977).

Властивості

Властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей крупніших об'єктів, що складаються з тих же самих атомів і молекул. Наприклад, наночастки платининабагато ефективніше очищають автомобільні вихлопи від токсичних забруднювачів, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові і багатошарові графітні циліндри нанометрової товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому можуть стати заміною мідним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності і принципово нові напівпровідникові і оптоелектронні пристрої. На сучасному етапі нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовується в автомобіле- і авіабудуванні), під час виробництва чорнил; для виробництва одягу, який неможливо забруднити і пом'яти і так далі.

Нанотехнології на перетині сфер життєдіяльності

Нанотехнології знаходяться на передньому краю різноманітних наукових, економічних та соціальних напрямків розвитку.

Медицина та нанобіотехнології

В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення матеріалів, необхідних при лікуванні опіків і ран; у стоматології; у косметології.

За прогнозами журналу Scientific American, вже в найближчому майбутньому з'являться медичні пристрої розміром з поштову марку. Їх достатньо буде накласти на рану. Цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати, і уприсне їх в кров.

Експерти Європейської комісії склали наступний перелік найбільш важливих на їхню думку розділів нанобіотехнологій на майбутні 15-20 років^[1]:

• прицільне постачання ліків;

• молекулярна візуалізація;

• косметика;

• створення нових лікарських засобів;

• методи діагностіки;

• хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів;

• тканева інженерія;

• харчові технології;

• геноміка і протеоміка;

• молекулярні біосенсори;

• інші розділи.

Електроніка та інформаційні технології

Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки і інформаційних технологій. У 1965 році можна було вмістити на одному чипі лише 30 транзисторів. У1971 році — 2 тис. Нині один чип містить близько 40 млн. транзисторів величиною 130—180 нанометрів, і з'явилися повідомлення, що вдалося створити транзистор розміром 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп'ютерну техніку доступною для більшості споживачів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можна придбати 50 млн. транзисторів.

У 1965 році Гордон Мур, фахівець у сфері фізичної хімії, зробив знамените передбачення, яке було названо «Закон Мура». «Закон Мура» проголошує, що число транзисторів на чипі буде подвоюватися кожні 18 місяців. Протягом декількох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп'ютерних чипів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: щоб підтверджувати «Закон Мура», потрібно, щоб транзистор був не більшим 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровідникових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року.

Військове призначення

Військові дослідження в світі ведуться в шести основних сферах: технології створення і протидії «невидимості» (відомі літаки-невидимки, створені на основі технології stealth), енергетичні ресурси, системи (наприклад, які дозволяють автоматично лагодити пошкоджену поверхню танка або літака), що самостійно відновлюються, зв'язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень. Передбачається, що в 2008 році буде представлено перші бойові наномеханізми.

Екологія

Нанотехнології здатні також стабілізувати екологічну обстановку. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Крім того, нанотехнології нині використовуються для фільтрації води і інших рідин.

Сільське господарство

Нанотехнології здатні здійснити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи можуть виробляти їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Наприклад, теоретично можливо виробляти молоко прямо з трави, минаючи проміжну ланку — корову.

Енергетика

Завдяки нанотехнологіям вченим вдається домогтися все кращого поглинання сонячної енергії. Однією із прогресивних компаній, що здійснює дослідження у цій галузі, є Sandia National Laboratories. Її фотопоглинаючі плівки характеризуються на 20% кращим фотоелектричним ефектом, ніж сучасні сонячні елементи на основі кремнію.

На основі нанотехнологій американська компанія Engelhard створила щось на кшталт «молекулярних воріт», крізь які проходять молекули двоокису вуглецю, а більші молекули (метанові) залишаються в речовині. Практичне застосування це знаходить під час фільтрації двоокису вуглецю із природного газу, а також при створенні автомобільних каталізаторів.

Hydrocarbon Technologies, дочірня компанія відомої американської компанії Headwaters, розробила методику обробки вугілля за допомогою нанотехнологій на молекулярному рівні таким чином, щоб створити з нього екологічно чисте рідке пальне. Саме потреба в заміні нафти сприяла тому, що китайська компанія Shenua Group ще в 2002 році стала партнером американців, і почала застосовувати отримане штучне пальне замість мазуту. Нанометод NxCat?, створений на іншій дочірній компанії Nanokinetix, дозволяє наповнювачам автомобільних каталізаторів ловити летючі органічні залишки вихлопних газів. А компанія Nanoforce зробила ставку на використання нанокаталізаторів для очистки нафти та на технологію збору врожаю за допомогою натометоду Poly-Web — мікроскопічних водоростей, що використовуються для виробництва біоетанолу.

Світлові діоди належать до зовсім іншої області застосування нанотехнологій. Японська компанія Nichia є на сьогодні провідним виробником техніки освітлення на основі нанотехнологій. Їхні світлові діоди у багато разів ефективніші за звичайні лампочки. А якщо взяти до уваги, що 20% світової енергії витрачається на освітлення, стає зрозуміло — перехід від звичайних ламп на світлові діоди дозволить досить суттєво економити енергетичні ресурси.

Напрямки розвитку нанотехнологій

Нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:

• створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;

• конструювання нанокомп'ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;

• збирання нанороботів — систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.

Інвестиційна діяльність

Нанотехнології є однією із провідних сфер новітніх технологій, кількість інвестицій в яку збільшується із року в рік, на фоні зменшення об'єму інвестицій в інших сферах.

Консультативна Рада з проблем науки і технології при Президенті США (PRESIDENT'S Council of Advisors on Science and Technology) підготувала доповідь, у якій аналізується нинішній рівень розвитку нанотехнологій в США та в інших науковиробляючих країнах і оцінюються перспективи подальшого прогресу в цій новітній сфері наукових досліджень та технологічних розробок. У доповіді підкреслюється, що в даний час Сполучені Штати є світовим лідером у області нанотехнологій. На частку США доводиться чверть світових інвестицій у цю сферу і не менше половини статей по нанотехнологіях, публікованих в найавторитетніших професійних журналах. Америка також лідирує по кількості патентів, які присуджуються за нанотехнологічні розробки. В цілому американські фахівці тримають дві третини таких патентів, виданих останніми роками. У одному тільки 2003 році учені й інженери із США одержали близько 1 тис. нанотехнологічних патентів (більш свіжих даних поки що немає).

Автори доповіді попереджають, що конкуренція у сфері нанотехнологій останніми роками загострилася і, безумовно, посилюватиметься і в осяжному майбутньому. КраїниЄвросоюзу, Японія і Китай в даний час щорічно виділяють на ці програми зі своїх бюджетів приблизно по $900 млн., що ненабагато менше американських федеральних витрат. Для порівняння, за даними організації Національна Ініціатива в області нанотехнології США (NATIONAL Nanotechnology Initiative), в 2002 році витрати всіх держав світу на ці цілі не перевищували $2 млрд. Сумарний рівень інвестицій приватних корпорацій з інших країн на ці цілі в даний час вже дещо перевищує аналогічні витрати американських компаній.

У грудні 2003 року Конгрес США прийняв особливий закон «Нанотехнологічні Дослідження і Розробки 21 сторіччя» (21st Century Nanotechnology Research and Development Act), яким передбачалося збільшення асигнувань на подібні проекти. У 2004 році з федерального бюджету США на розвиток нанотехнологій було виділено близько $1 млрд. 240 млн. (для порівняння, в 2001 році — $464 млн.). Ці дослідження також активно фінансуються за рахунок бюджетів окремих штатів, які в цілому направили на ці цілі порядку $400 млн. Ще більше коштів витрачає американський бізнес — майже $2 млрд. П'ята частина цієї суми припадає на біотехнологічні фірми, стільки ж — на електронні, 18 % — на хімічну промисловість, по 8 % — на аерокосмічну індустрію і енергетику.

Володимир Путін у 2007 році заявив, що нанотехнології являють собою «локомотив глобального наукового прогресу», та призвав Держ-думу вжити заходів до скорішого прийняття законопроекту про цільове фінансування цього напряму, та підкреслив, що в його здійсненні повинні взяти участь академічні галузеві наукові заклади, а також приватні лабораторії російських корпорацій. Він призвав всі країни СНД приєднатися до цієї програми розвитку. 4 липня 2007 року в Росії був прийнятий федеральний закон «Про Російську корпорацію нанотехнологій».

Кажуть, що нанотехнології - це наше майбутнє. Насправді користуємося ми ними давно, просто не знаємо, що вони «нано». Більш того, нанотехнології застосовували вже три тисячі років тому. У статті розповідається про те, як майстри і вчені різних часів і і народів маніпулювали нанооб'єктами, ще не розуміючи, що роблять саме це. І якщо вже їхні технології заслуговують модною приставки «нано», то сучасним хімікам тим більше не варто упускати цю можливість.

Засновник нанотехнологій - знаменитий американський фізик і лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман. Він досить докладно розглянув наслідки безмежної мініатюризації з позицій теоретичної фізики в своєму відому виступі перед Американським фізичним суспільством в грудні 1959 року. Щоправда термін «нанотехнології» був введений пізніше, а широке розповсюдження отримав тільки в останні роки.

Однак той факт, що дрібні частинки різних речовин володіють іншими властивостями, ніж та ж речовина з більш великими розмірами частинок, був відомий давно. Люди займалися нанотехнологіями і не здогадувалися про це. Звичайно, не можна говорити про широке і усвідомлене використання таких технологій, оскільки в багатьох випадках секрет виробництва просто передавали з покоління в покоління, не вдаючись у причини унікальних властивостей матеріалів.

Недавні дослідження поховань, проведені доктором Філіпом Вальтером з Центру досліджень і реставрації французьких музеїв, показали, що в Стародавньому Єгипті нанотехнології застосовували для фарбування волосся в чорний колір. Група дослідників не тільки вивчила зразки волосся з давньоєгипетських поховань, але також у серії експериментів відтворила древню технологію фарбування. До цього вважалося, що єгиптяни використовували переважно натуральні рослинні барвники - хну і басму. Однак виявилося, що в чорний колір волосся фарбували пастою з вапна Ca(OH)₂, оксиду свинцю PbO і невеликої кількості води. У процесі фарбування виходили наночастинки галеніту (сульфіду свинцю).

Природний чорний колір волосся забезпечує пігмент меланін, який у вигляді включень розподілений в кератині волосся. Староєгипетським перукарям вдавалося домогтися, щоб барвна паста реагувала із сіркою, яка входить до складу кератину, і утворювалися частинки галеніту розміром до п'яти нанометрів. Вони і забезпечували рівномірне і стійке забарвлення. При цьому процес зачіпав тільки волосся, а в шкіру голови сполуки свинцю не проникали.

Стародавній Рим

Чаша Лікурга (IV століття до н.е.) - один з видатних творів давньоримських склодувів, що зберігається в Британському музеї. Цей кубок незвичайний не тільки своїми оптичними властивостями, але й унікальною для тих часів методикою виготовлення. Матова зелена чаша стає червоною, якщо її освітлити зсередини.

Вперше аналіз фрагмента чаші Лікурга провели в лабораторіях «Дженерал електрик» у 1959 році - учені намагалися з'ясувати, що це за унікальна фарбувальна речовина. Хімічний аналіз показав, що хоча чаша складається зі звичайного натрієво-вапняно-кварцового скла, в ньому є близько 1% золота і срібла, а також 0,5% марганцю. Тоді ж дослідники припустили, що незвичайний колір і розсіюючий ефект скла забезпечує колоїдне золото. Очевидно, що технологія отримання подібного матеріалу була дуже складною.

Пізніше, коли методики дослідження стали досконалішими, вчені виявили за допомогою електронного мікроскопа і рентгенограм частинки золота і срібла розміром від 50 до 100 нм. Саме вони відповідали за незвичайне забарвлення кубка. Професор Гаррі Етуотер у своїй оглядовій статті про плазмони, опублікованій у квітневому номері «Scientific American» 2007 року, пояснив це явище так: «Завдяки плазмонному збудженню електронів металевих частинок, розподілених в склі, чаша поглинає і розсіює синє і зелене випромінювання видимого спектру (це порівняно короткі хвилі). Коли джерело світла зовні і ми бачимо відбите світло, то плазмонне розсіювання надає чаші зеленуватий колір, а коли джерело світла опиняється всередині чаші, то вона здається червоною, оскільки скло поглинає синю і зелену складові спектру, а більш довга червона - проходить ».

Вітражі