Окрепилов В. - Стандартизация и метрология в нанотехнологиях

УДК 006 ВВК3030 О 49 Рецензенты: ОГЛАВЛЕНИЕ 1ЯВХ 978-5-02-025339-1 4 6 11 11 22 45 Предисловие.. Введение. 112 196 Заключение !98 208 Литература .. Приложения .. © Окрепилов В.В., 2008 © СПбПТУ, 2008 45~ д л твокНау а»,2008 !ВВН 978-5-02-025339-! член-корреспондент РАН, проф. М П. Федоров, д-р техн. наук, проф.В. Н. Крутлиюв О к реп илов В. В.

Стандартизация и метрология в нанотехнолоптях. — СПбл Наука, 2008. — 260 с. Монография впервые освещает место и роль стандартизапни и метрологии при действиях с объектами, относящимися к нанодиапазону. В книге содержатся сведения о разрабатываемых международных и национальных стандартах в области наноиндустрии, совершенствовании зталонной базы, создании системы информационного обеспечения проводимых работ. Книга предназначена для ученых и специалистов, вовлеченных в процесс разработки, производства и применения нанотехнологнй„наноматериалов и другой нанопролукции, а также создающих средства измерений и разрабатывающих нормативно-технические документы в области наноиндустрии.

Книга может быть полезна при обучении специалистов, связанных с нанотехнологиями, и будет интересна широкому кругу читателей, изучающих развитие науки и техники. Глава 1. Нанотехнологии; основные воиатия ! Л. Термины и определения в области нанотехнологий....,....,... !.2. История развития нанотехнологий ..........................,............. нд р щ оп 2.!. Стандартизация как элемент системы технического регулирования.. 46 2.2.

Особенности стандартизации в области нанотехнологнй,...... 62 2.3. Работа российских и зарубежных ар илизаций по станлартизации в области нанотехнолотий ..........,...........,.....,............. 69 Глава 3. Метролопта в иаввтехволопмх 85 3.1. Обеспечение единства измерений в системе технического регулирования.. 3.2. Особенности измерений в области нанотехнологий ...,.......... 3.3. Метрологическое обеспечение измерений в наиотехнологиях .

145 Глава 4. Государственное регулироваяяе сферы иаиотеюювогий в России .. 155 4.1. Государственная поддержка развития нанотехнологий,........ 155 4.2. Создание системы оценки и подтверждения соответствия нанотехнолотий и наноматериалов........................, ............,.. ПРЕДИСЛОВИЕ Развитие цивилизации изобилует примерами, когда уникальные научные открытия, новые технологии и материалы кардинальным образом изменяли производственную и социальную сферу деятельности человека. Достаточно вспомнить, какую роль сыграли в жизни людей изобретения электричества, радио, атомной энергии, компьютеров и т. д. Мы все чаще слышим термины: нанонаука, нанотехнологии, наноструктурированные материалы и объекты.

Они становятся приоритетным направлением научно-технической политики всех развитых стран. В России работы по созданию нанотехнологий были начаты еще 50 лет назад„но велись ограничено, лишь в отдельных академических и отраслевых институтах. В настоящее время с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне сформированы основные направления развития этой сферы в общефедеральном масштабе. Развертывание работ на базе существующего научного задела позволит России поддерживать паритет с ведущими государствами в области нанотехнологий, а также поможет достигнуть стабильного экономического роста и осуществить дальнейшее повышение качества жизни населения.

Прорыв в применении нанотехнологий и наноматериалов будет способствовать развитию фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечению национальной безопасности страны. В зарубежной и отечественной литературе за последние годы появился не один десяток книг, различных по тематике, объему и уровню, способствующих познанию и внедрению нанотехнологий. Но среди всех источников информации наблюдается пробел в освещении роли и места стандартизации и метрологии для нанотехнологий. Между тем, значение этих инструментов в данной сфере исследований и производства невозможно переоценить, так как неотвратимо действует правило: «если нельзя измерить, то невозможно создать».

Бурно развивающейся отрасли наноиндустрии уже сейчас необходимо солидное нормативное и метрологическое обеспечение. И это убедительно показано в представляемой читателю книге члена-корреспондента РАН В.В. Окрепилова. В книге впервые показана необходимость комплексного использования стандартов и средств измерений в нанотехнологиях на всех стадиях жизненного цикла нанопродукции. Книга «Стандартизация и метрология» позволит широкому кругу читателей ознакомиться с основными понятиями, этапами и перспективами развития наноиндустрии.

Она также окажет неоценимую помощь в учебном процессе при подготовке метро- логов, стандартизаторов, экспертов и других специалистов, призванных посвятить свою деятельность развитию нанотехнологий в нашей стране. ~»- " у' Ю.С. Васильев, академик РАН, почетный академик Метрологической академии ВВЕДЕНИЕ В начале двадцать первого века мир стоит на пороге качественных изменений: ученые и специалисты говорят о новой, третьей научно-технической революции, которая связана с нано- технологиями. Само слово «нано» происходит от греческого слова лалоз, что означает «карлик» и соответствует одной миллиардной части исходной величины. Для сравнения: средний диаметр волоса человека — 30 мкм или 30х10-'м, то есть наносфера оперирует объектами, размеры которых в тысячу раз меньше, чем средний диаметр человеческого волоса.

Однако размеры — не самое главное. Принципиальным отличием нанотехнологий является квантовый характер нано- объектов и нанопроцессов и уникальная возможность целенаправленной сборки веществ на атомно-молекулярном уровне. И этим нанореволюция отличается от предшествовавших ей двух научно-технических революций. Первая — индустриальная или энергетическая, менявшая облик мира со второй половины восемнадцатого века, — была связана с качественными изменениями использования производимой энергии, переходом от мануфактуры к машинному производству, перестройкой экономик государств. Вторая — информационная, произошедшая в семидесятые годы двадцатого века, — связана с качественными изменениями в процессах получения, переработки, хранения и передачи информации.

Всего за несколько десятилетий интегральные микросхемы, компьютеры до неузнаваемости изменили наш мир. Но до сих пор производственные процессы были связаны как с неэффективным использованием сырья, так и с массовым производством отходов (в потребительский продукт превращается только 1,5 % исходного сырья, остальная же часть оказывается в отходах). Это связано с тем, что до сих пор промышленность действует по принципу «сверху вниз», т.

е. продукт получается путем отделения частей от более крупной заготовки. Очевиден тупик такого развития, поскольку все ресурсы конечны 17; 151. Нанотехнологии предлагают процесс «снизу вверх», т. е. создание материалов с заранее заданными свойствами из отдельных молекул и атомов. А поскольку при нанотехнологиях практически безразлично, какие объекты собирать, при условии наличия схемы сборки объекта, то получается, что практически любые предметы будуг стоить ровно столько, сколько стоит потраченная на сборку энергия. Точно так же миллиарды лет поступает природа, когда из элементарных клеток вырастают разнообразные живые организмы. Иными словами, революционным образом меняется парадигма всего научно-технического прогресса. Если ранее основной целью развития индустриального общества было изучение человека и перестройка природы согласно его потребностям и возможностям, то нанореволюция ставит своей целью воспроизведение систем живой природы и создание биороботехнических систем.

Тем более что живой мир показывает нам примеры использования нанотехнологий. Например, природной нанолабораторией обладает обыкновенный паук, чья паутина в пять раз прочнее стальной проволоки того же диаметра. Моллюск морское ушко выращивает прочную раковину, склеивая особой смесью белков с углеводами наночастицы мела, которые не дают распространяться трещинам. Таким образом, ученые получают возможность не только изучать мир, пои создавать его своими руками. Синтез вместо анализа. Проще можно сказать, что создаваемые нанороботы будут разбирать вселенную на атомы, а потом из этих атомов ее снова складывать.

По существу изменения затрагивают основу современной науки — атомы и молекулы, а значит, затрагивают все отрасли. Нанотехнологии — это новая технологическая культура, создание рынка принципиально новой продукции, объединение возмож- ностей современных технологий и живой природы, а следовательно, изменение технологического и социально-экономического уклада общества. Свойства наноструктурированных материалов кардинально отличаются от свойств обычных материалов. Более того, ряд наноматерналов обладает уникальными свойствами.

Например, бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и примерно в четыре раза легче ее. Сегодня возможно мгновенное измерение уровня холестерина, а значит определение риска сердечных приступов по капле слюны человека. Наномедицина лечит не болезнь, а больного, ибо лекарства доставляются именно в те клетки, которые необходимо вылечить.

Идут успешные эксперименты по прямому превращению энергии радиоактивных частиц в электричество. Нанопокрытие на основе силиката кремния затцищает полимеры не только от биологических и химических агентов, но даже от удара пули. Нанотехнологии позволили создать одежду, которая самостоятельно очищается от загрязнений, одежду, которая может производить электроэнергию.

Одни только покрытия из нанокерамики применяются в 150 областях. Зто и валы пропеллеров, и выдвижные корпуса телескопов н т. л. Более того, наноиндустрия может дать мощный импульс развитию не только ведущим государствам, но и странам третьего мира, чья экономзтка может перейти с сырьевого пути развития на интенсивный инновационный. Начинающаяся нанореволюция неизбежно приведет к изменению технологического (через создание новой технологической культуры) и социально-экономического (в связи с появлением рынка принципиально новой продукции, объединением возможностей современных технологий и живой природы) укладов общества. Новые продукты, производство которых не требует огромных цехов, гигантских затрат энергии, не дает отходов,— ват качественно новый фундамент для развития новой экономики двадцать первого века.

А это в свою очередь приведет к общему подъему образования и профессионального уровня ученых и спе- циалистов, создаст качественно новый технологический уровень других отраслей промышленности. Развитие нанотехнологий ставит особые задачи перед стандартизацией и метрологией. На то есть многие причины. Во-первых, как и любая сфера деятельности, нанотехнологии нуждаются в установлении четкого порядка. А именно стандартизация является общепризнанным инструментом упорядочения любой деятельности. Роль стандартизации заключается в создании строго регламентируемой системы понятий, характеристик, методов и средств, оценки, контроля и испытаний, охватывающих весь жизненный цикл, — от стадии научного поиска до применения и утилизации.

Во-вторых, одной из особенностей сферы нанотехнологий является действие в ней физических законов, отличных от законов макромира. Это неизбежно сказывается на применяемых здесь методах и средствах исследований н измерений. Требуются совершенно новые приборы, а порой и сами принципы измерений. Необходима унификация и четкая классификация метрологического оборудования, в частности сканирующих микроскопов. Не исключено также появление новых единиц физических величин для целей измерений в нанодиапазоне.