Что необходимо знать о нанотехнологиях

Кажется, что нанотехнологии проникли буквально всюду, хотя часто приставка «нано» – это маркетинговый ход производителей устройств. Тем не менее, технологии на наноуровне применяются во многих сферах, и ученые считают, что у них большое будущее.

Нанотехнологии манипулируют атомами, молекулами и объектами размером менее 100 нм. Один нанометр равен 10⁻⁹ или одной миллиардной доле метра. Для сравнения: человеческий волос имеет толщину 80 000–100 000 нм. Ниже — еще несколько фактов, которые стоит знать о нанотехнологиях.

1. Нанотехнологии – это не отрасль

Часто считается, что нанотехнологии – это отрасль производства, которая должна выпускать некие наноустройства. Но в реальности существует нанонаука, которая изучает свойства материала, и нанотехнологии, применяющие эти открытия для создания наноструктур.

Нанотехнологии задействованы в химии, медицине, фармакологии, робототехнике, и наиболее активно – в электронике для изготовления проводников размером от 5 до 45 нм.

Нанотехнологии работают с объектами размером не более 100 нм. В этом размере материалы имеют свойства, которые не проявляются на макроуровне. На фото — схематическое изображение углеродной нанотрубки, одного из самых распространенных наноматериалов на сегодняшний день

Суть нанотехнологий в том, что на наноуровне увеличивается количество атомов на поверхности объекта в сравнении с числом атомов в его объеме. Также снижается значение гравитации, зато усиливается влияние вандерваальсовых сил. Все это приводит к возникновению необычных свойств, которые невозможно наблюдать на макроуровне.

2. Нанотехнологии древнее, чем кажутся

В 1959 году физик-теоретик Ричард Фейнман произнес речь «Внизу много места», в которой предположил, что можно манипулировать отдельными атомами. В 1974 году материаловед Норио Танигучи ввел термин «нанотехнологии» для производства изделий размером несколько нанометров. А уже с 1980-х годов начала развиваться сфера нанотехнологий в ее современном виде.

Но человечество применяло нанотехнологии и раньше: например, в XIV–XIII вв. до н.э. в Древнем Египте частицы в наноразмере использовались при изготовлении цветного стекла, а в знаменитом кубке Ликурга, созданном около VI в. н.э., применялись частицы золота и серебра размером 50–100 нм. Благодаря им цвет чаши при разном освещении менялся с желто-зеленого на рубиновый. 

3. У нанотехнологий есть два пути развития

У нанотехнологий есть два пути развития – top down и bottom up. Сейчас наиболее развитым является путь top down (англ. сверху вниз), когда в уже существующие материалы добавляются наночастицы. Это позволяет создавать привычные материалы с заданными свойствами.

Например, существует самоочищающееся стекло с добавлением наночастиц диоксида титана, которые вступают в реакцию с кислородом и ультрафиолетом и отталкивают пыль.

https://www.youtube.com/watch?v=ky7rgSPptFc

В 2020 году ученым удалось вырастить так называемый «лес нанотрубок» рекордной длины около около 14 см. Видео: Hisashi Sugime, Waseda University

Второй вариант развития нанотехнологий – bottom up (англ. снизу вверх), наоборот, направлен на создание новых материалов из отдельных частиц и молекул. Аналогом этого подхода являются 3D-принтеры, которые создают объекты из исходного материала. А в 1989 году ученые собрали из атомов ксенона на подлодке из охлажденного кристалла кремния надпись IBM. На это потребовалось несколько часов, так что пока это осталось только на уровне эксперимента.

4. Самый прогрессивный наноматериал – это графен 

Известные многим наноматериалы – это аллотропные формы углерода: фуллерены, углеродные трубки и, конечно, графен.

Фуллерен – молекулярное соединение, замкнутый многогранник из трехкоординированных атомов углерода. Он может быть сверхпроводником или использоваться в аккумуляторах.

Фуллерен C60 — его еще называют «углеродным наномячом»

Углеродные нанотрубки – полая цилиндрическая структура диаметром от 0,9 до нескольких десятков нанометров и длиной от 1 мкм до нескольких сантиметров. Они сверхпрочные и применяются в композитных материалах, микроэлектронике, нейрокомпьютерных разработках, оптике, медицине и других сферах. 

Существуют не только одностенные, но и многостенные углеродные нанотрубки (на изображении), в которых цилиндрические трубки коаксиально вложены друг в друга по принципу матрешки. Это позволяет получить более разнообразные формы и конфигурации нанотрубок. Изображение: Eric Wieser

Но самый известный и перспективный наноматериал – графен, который удалось получить только в 2004 году. Он обладает двухмерной структурой толщиной в один атом, состоящей из атомов углерода, собранных в гексагональную решетку. За счет сильных межатомных связей графен обладает уникальными свойствами: сверхпрочностью, легкостью и сверхпроводимостью, а также он может растягиваться на 20% от своей исходной длины и не ломается при сгибании.

Все это в будущем позволит использовать графен в гибкой электронике, в аккумуляторах, в качестве сенсора или биомедицинского датчика.

Графен представляет собой структуру, состоящую из одного слоя атомов, организованных в шестиугольную решетку, по сути — это развернутая углеродная трубка. Изображение: AlexanderAlUS

Пока что есть некоторые проблемы с получением графена: для лабораторных опытов его вручную отшелушивают от кристалла графита (это похоже на то, как мы проводим линию карандашом по бумаге). Но для промышленного производства такой способ слишком дорогой, потому разрабатываются другие, например, графеновые листы выращивают на подложках карбида кремния.

5. У нанотехнологий огромные перспективы

Хотя пока что нанотехнологии находятся на ранней стадии развития, ученые прогнозируют им большое будущее.

Предполагается, что главный прорыв произойдет в сфере электроники, где будут созданы сверхтонкие и гибкие устройства на основе графена.

https://www.youtube.com/watch?v=q4WsCMLnfvo

В 2016 году ученые из MIT вырастили шпинат с вживленными углеродными нанотрубками, которые работают как детекторы и обнаруживают взрывчатые вещества. Видео: MIT

Еще одной сферой применения нанотеха станут медицина и фармацевтика, где уже пытаются разработать нанороботов для точечной доставки лекарств к отдельным органам.

Но основной задачей нанотехнологий в будущем является создание биоразлагаемых или биодеградируемых материалов. Это позволит решить проблему загрязнения окружающей среды, например, старый смартфон можно будет просто закопать на участке, где он превратится в удобрение.