Окрепилов В. - Стандартизация и метрология в нанотехнологиях, страница 2

В-третьих, в настоящее время наблюдается активное развитие нанотехнологий, переход от лабораторных исследований к массовому выпуску различной нанопродукции, промышленному использованию достижений наноиндустрии. Совершенно очевидно, что серийное производство наноизделий немыслимо без стандартов и средств измерений. И в-четвертых, вне поля зрения ученых и специалистов остаются вопросы безопасности внедрения нанотехнологий, производства и применения нанопродукции. В настоящее время методы определения риска, токсичности нанопродуктов, воздействия наначастиц на человека малоэффективны или вообще отсутствуют.

Поэтому для адекватной оценки наноматериалов необходима разработка соответствующих стандартов и организация системы оценки и подтверждения соответствия нанопродукции установленным нормативным требованиям. Для создания рынка наукоемкой продукции в России, с одной стороны, надо защитить его стандартами, а с другой, гармонизируя нормы этих стандартов с международными требованиями,— сделать привлекательным для наших потенциальных торговых партнеров.

Другими словами, стандартизация и метрология должны помочь нашим ученым в создании конкурентоспособной нанопродукции. В данной книге автором даны определения основных понятий в области нанотехнологий, описан инструментарий и приведен ряд документов из этой области. Также изложено видение основных проблем стандартизации и метрологии применительно к наносфере, проанализирована сложившаяся ситуация и предложены возможные способы решения этих проблем.

Глава 1 НАНОТЕХНОЛОГИИ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 1.1. Термины и определения в области нанотехнологнй Границы наномира еще не определены достаточно четко, поскольку он находится еще в периоде становления. Терминология в нанообласти не установилась окончательно. Не определено, что считать предметом ее ведения — то ли размер частиц, то ли сущность самой технологии. Более того, ввиду бурного развития в настоящее время этой отрасли не исключена возможность того, что сегодняшние определения могут завтра оказаться неполными и даже устаревшими. Тем не менее автор считает, что можно привести ряд определений, которые в достаточной степени отражают современную трактовку и суть основных понятий в области пан отехнологий.

Одним из основных и обобщающих понятий в данной сфере является понятие шаноиндустрия». Под этим термином понимается интегрированный комплекс производственных, научных, образовательных и финансовых организаций различных форм собственности, осуществляющих целенаправленную деятельность по созданию интеллектуальной и промышленной конкурентоспособной продукции, относящейся к сфере нанотехнологий ~1021. По существу наноиндустрия представляет собой наукоемкую и универсальную отрасль, связанную с манипуляциями атомами и молекулами и обеспечивающую создание продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники ~4). Ге«удар«с»сивые нресраммы Финансы Рис. 1.

Стпрунтура наноиндуснсрии 12 Наноиндустрия включает в себя нанонауку, нанотехнологии, сырье, материалы, технологическое оборудование, нанопродукцию, а также кадровое обеспечение специалистами соответствующего профиля (рис. 1). Наиояаукрл 1. Фундаментальные исследования в области физики, химии, биологии и других областях знаний, позволяющие изучать объекты с размером частиц в нанометр и проводимые для получения совокупности знаний о структуре и особенностях поведения вещества в нанометровом масштабе [!06!. 2. Система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов [93[.

Определений понятия «нанотехнология» насчитывают десятками. Различные определения, как правило, не противоречат, а скорее, дополняют друг друга. В то же время каждое из них, взятое в отдельности, невозможно признать достаточным. В этой связи автор считает целесообразным привести несколько определений понятия «нанотехнология», чтобы наиболее четко и с различных точек зрения осветить его содержание. Нанотехяологшг.

1. Совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами [ ! 02[. 2. Междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза„а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами [106!. 3. Исследования и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне в шкале размеров приблизительно от 1 до 100 нм, проводимые для приобретения фундаментальных знаний о природе явлений и свойствах материалов в наношкале и для создания и использования структур, приборов и систем, которые обладают новыми качествами благодаря своим маленьким размерам.

Нанотехнологические исследования и разработки включают контролируемые манипуляции наноразмерными структурами и их интеграцию в более крупные компоненты, системы и архитектуры [33[. 4. Комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабах. 5. Совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуры и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами„обусловленными проявлением наномасштабных факторов [93[.

б. Сумма технологий и сумма методов обработки материалов, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, а также с отдельными биологическими объектами с целью получения новых материалов, приборов и устройств, формиро- 13 вания приборных структур с характерными размерами порядка 1Π— 100 нм [54). 7. Совокупность методов и приемов, обеспечивакнцих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба [4[. Таким образом, видно, что в сегодняшних определениях за основу термина взят размер частицы, что не совсем точно отражает специфику нанотехнологии, которая качественно отличается от привычных процессов.

Следует отметить, что неотьемлемой чертой современной нанотехнологии являются научные исследования. Поэтому, например, С. Вильямс, руководитель поисковых исследований Нечг!ец-Раскап[ Соп1рапу предпочитает использовать термин «нанонаука» вместо «нанотехнологии», т. к. последние ассоциируются у него с «производством, размещенным в спичечном коробке». Нанофнэнна — наука о свойствах элементов, имеющих нано- размеры [1Об[.

Необходимо учитывать, что при наномасштабах макротехнологии зачастую неприменимы, а микроскопические явления— свойства и взаимодействие отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты — пренебрежительно слабые при макромасштабах, становятся намного значительнее. Вследствие этого классическая теория термодинамики теряет свою строгость и незыблемость. Периодически появляются сообщения о нарушении второго закона термодинамики. Наноэлектроника — отрасль электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм [106[.

Эксперты ожидают, что в ближайшие два-три года изделия наноэлектроники составят не менее трети общего рынка нано- продукции. Как отмечает руководитель секции наноэлектроники Комиссии РАН по нанотехнологиям академик А.Л. Асеев„наноэлектроника позволяет перейти на квантовые компьютеры, которые будут иметь качественно другую скорость вычислений и алгоритмическую базу [94[. Более того, изделия наноэлектроники обещшот быть чрезвычайно дешевыми. Например, цена микросхем из полимеров может составлять всего 1-2 процента от затрат на изготовление чипов из кремния. Нанобно»нехнологня (или бионанотехнология): 1. Раздел в нанотехнологнях, занимающийся изучением и воздействием обьектов нанодиапазона на биологические объекты и их использованием для развития наномедицины — главной составляющей нанобиотехнологий [10б1.

Последняя в свою очередь занимается созданием нанолекарств, диагностических систем на основе наночастиц, разработкой медицинских нанороботов и созданием медицинских нано- материалов. В будущем задачей наномедицины станет слежение, исправление, генетическая коррекция и контроль биологических систем организма человека на молекулярном уровне, используя наноустройства (наноизделия), наноструктуры и информационные технологии. 3. Конструирование новых изделий, материалов и устройств на основе естественных или синтетических макромолекул, конструирование новых биологических структур на основе синтетических биополимеров [98[.

Конечной целью наноиндустрии с экономической точки зрения является создание конкурентоспособной промышленной и интеллектуальной продукции — наноизделий. Нанонэделнн — изделия, представляющие собой комбинации атомов и молекул [1061. На современном этапе они представлены нанопорошками (т. е. вещество с размерами частиц менее 100 нанометров), которые можно добавлять в разные материалы: полимеры, керамику, металлы и т. д. Иногда вместо термина «наноизделия» употребляется термин нанопродукщ«я. Однако под этим все же следует понимать 14 привычные изделия, при производстве которых использовалась нанотехнология.

Взаимосвязь частей производственного процесса нанотехнологии представлена на рис. 2. Как видно, конечной является продукция, включающая наноматериалы или промежуточную продукцию, выпуск которой завершает производственную цепочку. Сырьем для получения промежуточной нанопродукции, т. е. продукции, также включающей наноматериалы или изготовленной в наномасштабе, выступают наноматериалы. Что касается понятия «наноматериалы», то здесь также следует отметить наличие множества определений, встретившихся автору в различных авторитетных источниках. Коиечиав нанон о Пэсь1ал Пленив»точная иааепияббккяияи Ваиоиистптмеитьг Технологическое и ннформационно-аналитическое оборудование и программное обеспечение, применяемое для визуального представления, моделирования н манипулирования в наномасштабе: атомные силовые микроскопы, шпографическое оборудованзи для нанопечати, программное обеспечение для молекулярного моделироввюнг и т.