Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

На рис. 13.12 показана схема действия очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества, а на рис. 13.13 приведены некоторые механизмы образования более сложных структур в растворах ПАВ и блок-сополимеров. Образующиеся при этом конкретные структуры определяются множеством условий, среди которых важнейшими являются относительные размеры гиброфильной «головки» и гидрофобного «хвоста» химической молекулы (эта терминология является привычной для специалистов по полимерам и коллоидной химии). Например, ионогенные ПАВ (характеризующиеся наличием заряженных головных групп) в показанных на рисунках механизмах легко образуют сферические мицеллы, неионогенные ПАВ-структуры в виде стержней или нитей, а молекулы ПАВ с несколькими концевыми группами – ячеистые структуры или ламеллы со слоистой, иногда почти плоской структурой. Естественно, в мягкой нанотехнологии форма структур может легко изменяться за счет введения в растворы небольшого количества различных дополнительных веществ, регулирующих параметры жидкой среды и условия роста.

Рис. 13.12. Пример очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Структурная химическая формула (вверху), общий вид в растворе (слева внизу), схема (внизу справа)

Рис. 13.13. Схематическое представление образования структур различными поверхностно-активными веществами в водной среде: сферические мицеллы (вверху); стержни, или нити (средний рисунок); пузырьки (внизу). На рисунке показаны разрезы наноструктур, показывающие роль гидрофильных головных групп и гидрофобных концевых групп при взаимодействии с окружающей водной средой

Мягкая нанотехнология отличается исключительной чувствительностью к изменению условий процесса. Стоит добавить немного горячей воды в реакционный сосуд с примесями и жирами, как соотношение компонент чуть-чуть изменится, и в среде начнут образовываться мицеллы совершенно новых форм, а примеси начнут объединяться совсем по-другому. Нанося аккуратно на любую поверхность самую высококачественную эмульсионную краску, необходимо помнить, что через некоторое время структура краски (а следовательно, ее вязкость и другие физико-химические свойства) неизбежно изменится, хотя бы в незначительной степени. Многие такие процессы, относящиеся именно к мягкой нанотехнологии, играют очень важную роль при смешивании компонент коммерчески важных изделий, то есть о них следует постоянно помнить при оценке вкуса и текстуры пищевых продуктов типа шоколада, мороженого или йогурта.

Очень трудно или почти невозможно объективно или точно описывать и оценивать характеристики многих продуктов мягкой нанотехнологии, поэтому до самого последнего времени большинство технологов (например, в производстве продуктов питания) руководствуется просто личным опытом, эмпирическими правилами и секретами производства, передаваемыми из поколения в поколение. Проблема заключается в том, что интересующие нас процессы в этой области осуществляются простой молекулярной самоорганизацией, законы которой нам неизвестны, вследствие чего мы не можем предсказывать изменение характера растущих структур при изменении состава смеси. Кроме того, в косметике или пищевой промышленности вообще очень трудно определить, какой именно получаемый продукт следует считать коммерчески успешным (например, очень трудно угадать, какое именно мороженое потребители сочтут вкусным?). Вкусовые и потребительские предпочтения публики остаются неопределенными и изменчивыми, вследствие чего исследователям и технологам часто даже непонятно, к созданию каких структур им следует стремиться и что является важным для конкретных приложений.

Новейшие методы позволяют использовать более строгие и физически обоснованные параметры оценки качества продуктов мягкой нанотехнологии, например, мы может объективно оценивать их характеристики, применяя методики динамического рассеяния света в веществе, ядерного магнитного резонанса, рентгеновского и нейтронного рассеяния, электронной микроскопии и т. п. Более того, для оценки таких продуктов уже предлагаются и применяются автоматические методы, однако следует помнить, что формулы и исходные оценки должны как-то задаваться человеком-программистом. С другой стороны, развиваются совершенно новые теории восприятия, оценки вкуса и методы компьютерного моделирования поведения, что, возможно, позднее и приведет к революционным преобразованиям в самых консервативных производствах, связанных с мягкими нанотехнологиями.

В заключение хотелось бы отметить еще одно важное обстоятельство. Выше рассказывалось лишь о возможностях использования мягких нанотехнологий в производстве продуктов питания, косметики и других товаров бытового назначения, но читатель не должен полагать, что эти технологии не могут быть применены и для более серьезных целей. Наоборот, многие исследователи считают, что самоорганизация и структурирование нанообъектов в жидкой среде позволит в будущем разработать надежные и дешевые способы промышленного производства новых материалов и очень сложных устройств. Например, фирма IBM уже изучает возможности синтеза наноструктур для электронной промышленности в процессах молекулярной самосборки и блок-сополимеризации. В последнее время наметился еще путь к созданию совершенно новых материалов для электроники, связанных именно с разнообразными «мягкими» или гибкими наноструктурами, подобными описанным выше. Идея метода состоит в том, что получаемые в жидких и эмульсионных средах структуры используются затем в качестве своеобразных шаблонов, или матриц, для производства «жестких» объектов с заданными свойствами. Образуемые при блок-сополимеризации эмульсионные формирования (ячейки, мембраны, пузырьки) могут быть химически стабилизированы и применены в качестве «устройств», обеспечивающих перенос лекарственных препаратов внутри организма (включая введение препаратов внутрь клеток). В целом можно сказать, что методы мягкой нанотехнологии, связанные со стабилизацией разнообразных коллоидных систем (растворы и гели наночастиц) и их дальнейшим использованием, представляют новую и весьма перспективную область исследований. [Читатель, заинтересовавшийся возможностями использования эмульсий, мембран и коллоидных систем для практических целей (особенно в области медицины и биохимии), найдет много полезной и разнообразной информации в книге М. Накагаки «Физическая химия мембран». М., Мир, 1991. Прим. перев. ].

Глава 14 Нанодатчики: разработки, перспективы и разнообразие применения

Дэвид Дж. Нагель, Шарон Смит

Дэвид Дж. Нагель стал ученым лишь в зрелом возрасте, сменив множество занятий. До этого он служил в военно-морском флоте США, дослужившись до звания капитана. Позднее он перешел на работу в Лабораторию военноморских сил США (Naval Research Laboratory, NRL). Его научную деятельность отличает разнообразие интересов, однако основным занятием стало конструирование разнообразных микроскопических устройств и приборов.

В настоящее время Д. Нагель руководит отделом конденсированных сред и радиационных исследований в NRL. Он является автором и соавтором более 150 статей, отчетов и книг по микроэлектромеханическим устройствам и смежным вопросам нанотехнологии.

Шарон Смит возглавляет исследовательское отделение известной фирмы Lockheed Martin в городе Бетеста (штат Мэриленд), где занимается разнообразной научно-технической деятельностью, связанной не только с наукой, но и с внедрением разработок в промышленное производство. Одновременно она руководит группой по изучению возможностей нанотехнологий. До этого Ш. Смит успешно работала во многих фирмах и организациях, связанных с организацией научных исследований, управлением производством и внедрением инновационных разработок в США и Европе. Она обладает огромным опытом и считается выдающимся организатором.

Шарон Смит является автором многих ценных публикаций, входит в состав Объединенного комитета по развитию нанотехнологий в штате Виргиния, а также в Совет по материаловедению национальной Академии наук. Имеет несколько научных степеней в различных областях химии.

Возникновение и развитие нанотехнологий оказало огромное воздействие на многие отрасли науки и техники, однако можно смело утверждать, что наиболее революционные изменения произойдут в производстве и использовании датчиков разных типов. Нанотехнологии создают для разработчиков, производителей и пользователей беспрецедентную возможность одновременно решать все основные задачи данной области, а именно – снизить вес и размеры изделий при уменьшении энергопотребления и повышении специфичности. В данной главе предлагается очень краткое описание возможностей (и, естественно, ограничений) новых технологий, основанных на обработке и использовании свойств вещества на размерах порядка нанометра (одна тысячная доля микрометра). Уже сейчас нанодатчики (включая и те, где возможности новых технологий используются лишь дополнительно) очень широко применяются в промышленности и науке, включая транспорт, медицину, коммуникации, строительство, проблемы обороны и национальной безопасности и т. п. Потенциальные возможности применения различных нанодатчиков представляются просто фантастическими, так как в настоящее время разрабатываются устройства, которые могут вводиться в отдельные биологические клетки, что позволяет регистрировать, например, конкретное химическое или радиационное воздействие на организм астронавтов или следить за развитием болезни в отдельном органе пациента медицинской клиники [78] . Многие такие устройства сейчас раскручиваются инновационными компаниями, что привлекает внимание «большого бизнеса» как к самой нанотехнологии вообще, так и к коммерческим применениям нанообъектов и наноэффектов.

Огромную роль нанотехнологий в области создания и использования различных датчиков легко понять, если вспомнить, что механизм действия практически всех используемых на практике химических и биологических датчиков основан на регистрации какого-либо взаимодействия на атомномолекулярном уровне. Вообще говоря, нанотехнология сводится к возможности создавать новые функциональные материалы, устройства и целые системы, а также использовать атомно-молекулярные процессы или физические эффекты для практических целей [79] .