Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Министерство энергетики содержит центры по нанотехнологическим исследованиям (Nanoscale Science Research Centers, NSRC), которые проводят регулярные встречи между специалистами из разных организаций, а также постоянно информируют пользователей о возможностях приборов и контрольно-измерительной аппаратуры, предоставляемой этими центрами. Исследователи, согласившиеся публиковать результаты исследований в открытой печати, получают приборы, материалы и техническое обслуживание бесплатно, а те, кто желает сохранить права на полученную информацию, оплачивают только прямые расходы центра на их обслуживание.

12.3. Заключение

Во многих федеральных лабораториях активно осуществляются значительные научно-исследовательские программы, связанные с нанотехнологиями. Лаборатории проводят такие исследования исходя из краткосрочных или перспективных задач руководящих ими ведомств, однако многие результаты могут быть внедрены в производство, вследствие чего почти все лаборатории уже выработали собственные программы и процедуры коммерциализации и передачи технологий в промышленность. Подобно университетам, национальные лаборатории являются одним из важнейших источником получения интеллектуальной собственности в области нанотехнологий.

Раздел III Материалы и производство

Глава 13 Наноматериалы

13.1. Общее введение и содержание

Марк Рид

Марк Рид получил ученую степень по физике в Сиракузском университете (1983), после чего поступил на работу в фирму Texas Instruments, где возглавил научные исследования в области нанотехнологий. Областью его научных интересов стал электронный перенос в нано– и мезоскопических системах и сложных молекулах, структурированные материалы и наноустройства, квантовые эффекты и т. д. Он автор 6 книг и более 150 научных публикаций по указанным темам, а также является обладателем 24 американских и зарубежных патентов по квантовым явлениям, гетеропереходам в полупроводниках и молекулярным устройствам. Является известным лектором и популяризатором идей нанотехнологии. М. Рид получил множество престижных премий и наград, является членом Американского физического общества.

В основе каждой достаточно развитой системы технологий лежат общие представления о методах их обработки. Нанотехнологии не составляют исключения, и мы должны начать с их классификации. Существует много методов описания и деления технологий, но даже простейшая схема содержит три уровня: (1) материалы, (2) проектирование и изготовление, (3) интеграция, или объединение. Стоит отметить, однако, что в некоторых сложных нанотехнологиях переход от первой стадии к двум следующим очень трудно сформулировать. С другой стороны, наука и технология, связанные с наноматериалами, пока находятся в стадии становления, а некоторые специалисты полагают, что нанонаука вообще сводится к материаловедению на определенном уровне масштабов.

Наиболее важное отличие наноматериаловедения от классических наук (химия, физика и т. п.) действительно заключается в пространственновременных масштабах процессов, которые новая наука и технология пытаются регулировать или действительно регулируют. Вот уже более ста лет классические науки занимаются изучением явлений на атомарном уровне, а наноматериаловедение вдруг предоставило нам возможность не столько изучать, сколько самим создавать и осуществлять такие явления, лежащие за гранью привычной для ученых стохастической теории.

Некоторые специалисты даже предлагают считать новую науку разновидностью инженерного или художественного творчества в общем смысле, поскольку в ней вместо изучения некоторых объектов мы начинаем сами создавать совершенно новые объекты на беспрецедентном для науки и искусства уровне возможностей. О некоторых таких попытках рассказывается в данной главе.

Одним из наиболее неожиданных и оригинальных направлений нанонауки считается изготовление и изучение наночастиц из разных материалов, но стоит заметить, что в действительности человечество неосознанно использовало такие частицы еще с древности. Занимаясь строением и синтезом частиц вещества на атомарном уровне, ученые во многих странах научились изготовлять поразительные физические объекты типа квантовых точек со структурой «ядро – оболочка». Наночастицы почти сразу нашли применение в медицине и биологии (диагностика, изучение токсичности веществ, исследования функциональности тканей организма и т. п.).

В последние годы визитной карточкой (или, если угодно, рекламным щитом) нанотехнологий стали углеродные нанотрубки, представляющие собой как бы листы или плоскости из атомов углерода, свернутые в практически идеальные цилиндры диаметром около нанометра и длиной в несколько микрометров. Ученых сейчас больше всего интригует то, что электронные свойства таких структур очень сильно зависят от размеров и направления «закрутки» цилиндров. Эти свойства у углеродных структур могут открыть перед проектировщиками электронных устройств огромные возможности, если ученые научаться их регулировать или, наоборот, создать массу осложнений пока эту проблему зависимости не удастся решить. В настоящее время многие исследователи тщательно изучают открывшиеся перед ними удивительные электрические, термофизические и структурные характеристики так называемых одностенных углеродных нанотрубок (single-walled nanotube, SWNT). Проблема состоит не только в самих закономерностях, но и в их связи с условиями синтеза, а также практическим использованием новых веществ в разных целях.

В самое последнее время все больший интерес ученых, инженеров и производственников привлекают неорганические полупроводниковые нанопроволоки, так как обнаружилось, что их электронными свойствами управлять значительно легче, чем характеристиками углеродных трубок. Собственно говоря, такие монокристаллические игольчатые объекты с толщиной десятые доли нанометра (следуя традиции, их называют нановискерами) были известны еще с начала 1990-х годов, но интерес к ним возродился после того, как появились разнообразные методы их синтеза. Кроме того, обнаружилось, что нанопроволоки могут быть изготовлены из множества неорганических материалов, что, естественно, значительно расширяет возможности создания новых устройств на их основе. Пока реальные успехи таких разработок весьма незначительны (хотя и очень интересны!), но это направление, которое можно назвать функциональным наноматериаловедением, считается одним из самых перспективных в нанотехнологии.

Наконец, в конце главы читатель найдет информацию о материалах, которые не относятся собственно к нанометрическим, но чрезвычайно важны для развития отрасли в целом. Дело в том, что множество интереснейших сфер применения нанотехнологии (особенно при создании биомедицинских устройств, датчиков и т. д.) настоятельно требует от ученых и инженеров создания так называемых интерфейсов (переходных структур), соединяющих наноматериалы или нанообъекты с микроскопическими устройствами или тканями. Обеспечение требуемого контакта в таких соединениях неожиданно оказалось очень непростой научно-технической задачей, для решения которой необходимо не только синтезировать новые вещества с нестандартными характеристиками, но и тщательно изучить их особенности и возможности для применения в совершенно необычных ситуациях, не имеющих аналогов в истории науки и техники. Сложность и нестандартность таких задач читатель может оценить сам, задумавшись, например, о возможностях обеспечения надежных контактов мономолекулярных структур (играющих роль переключателей в электронной схеме) с подложкой из полимерных или гибридных материалов. Подобные проблемы все чаще возникают при попытках создания прототипов инженерных устройств на основе наноструктур.

Материаловедение переживает сложный этап развития, и специалистам предстоит еще многому научиться, прежде чем они реально смогут управлять свойствами материалов на атомарном уровне и использовать эти свойства. Решение поставленных задач может быть получено лишь на основе комбинированного подхода, сочетающего новые методы синтеза, новые методы описания материалов и разработку новых теоретических механизмов физико-химических процессов (включая флуктуации) на атомарном уровне. Сложность поставленных задач соответствует революционным изменениям, которые нанонаука и наноматериаловедение могут внести в нашу жизнь.

13.2. Наночастицы