научная статья по теме ОТ «НАНО» К НАНОТЕХНОЛОГИЯМ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ОТ «НАНО» К НАНОТЕХНОЛОГИЯМ»

Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений

Хавкин А.Я., доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник Института проблем нефти и газа Российской академии наук

ОТ «НАНО» К НАНОТЕХНОЛОГИЯМ

Резюме

Показано становление нанонауки, в том числе в нефтегазовой сфере.

From «nano» to «nanotechnologies» Summary

It is shown the becoming nanoscience, including, in oil-and-gas sphere.

Первая научно-техническая революция (НТР) началась с появления паровой машины в конце ХVIII века. Вторая НТР — с создания кибернетики в середине ХХ века. Нанотехно-логии — это системообразующее начало Третьей НТР, которая началась в конце ХХ столетия и изменит облик мира уже в первые десятилетия XXI века [1, 2].

Термин «нано» означает 10-9 от какой-либо величины, а термин «нанотехнология» появился вследствие создания и использования материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, т. е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. Другими словами, под термином «нанотехнология» понимают умение работать с такими объектами. В связи с этим возникло понятие нанонауки [3].

Нанонаука — это междисциплинарные фундаментальные физико-химические исследования объектов и процессов с масштабами 1-100 нм (т.е. до 0,1 мкм). Для сравнения масштабов можно отметить, что толщина карандаша — 1 см, листа бумаги — 1 мм, человеческого волоса — 100 мкм, размер эритроцитов в крови — 10 мкм, современных интегральных микросхем — 1 мкм (1000 нм), вируса — 100 нм, белковой молекулы — 10 нм, атомов — 1 нм. Нанонаука обеспечивает создание в информационных технологиях — супер ЭВМ, в медицине — новые методы лечения, в экологии — новые материалы, в энергетике — топливные элементы [4].

В последние 10-15 лет нанонаука выделилась в качестве отдельной дисциплины, исследования продемонстрировали важную роль наноструктур в различных областях науки и техники, все больше внимания уделяется нанотехнологиям. Обсуждение проблем нанотехноло-гий в РАН прошло в 2002г. [5, 6], на государственном уровне — в 2004г. [7], в 2007 г. были приняты Закон РФ «О Российской корпорации нанотехнологий» (РОСНАНО) и Федеральная целевая программа по развитию нанотехнологий [8]. Комиссия по разработке программы фундаментальных исследований в области нанотехнологий в развитие инициатив Президента РФ и Правительства РФ была создана в РАН в 2007г. В комиссии созданы секции: физика наноструктур, наноматериалы, наноэлектроника, нанодиагностика, нанобиотехнология, образование [9]. Комиссию возглавил Нобелевский лауреат академик Ж.И.Алферов

В 2008г. в РАН появилось отделение нанотехнологий. В 2009г. в МГУ читается спецкурс по фундаментальным основам нанотехнологий. Имеются научно-популярные публикации академиков Ж.И.Алферова, М.В.Алфимова, Ю.Д.Третьякова, В.Я.Шевченко, членов-корреспондентов М.В.Ковальчука, Е.А.Гудилина, профессора Г.Г.Малинецкого и других ученых [9-14]. Создано Нанотехнологическое общество России [15].

При этом некоторая часть общества воспринимает такую активность по отношению к «нано» как дань моде, другие выражают опасение по поводу распространения нанотехно-

логий, третьи вообще боятся признавать роль «нано».

Нанотехнологии возникли как практическое применение многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время, и только сейчас ставших основой промышленных производств [3]. И здесь нужно подчеркнуть — в значительной степени полученных российскими учеными, Нобелевскими лауреатами. Например, Н.Г.Басов и А.М.Прохоров — лазеры, Ж.И.Алферов — полупроводники, П.Л.Капица и Л.Д.Ландау — сверхтекучесть.

Многие фундаментальные исследования, без которых было бы немыслимо развитие современных нанотехнологий, проводились на протяжении десятилетий научными школами академиков В.А.Каргина, П.А.Ребиндера, Б.В.Дерягина. Известны пионерские работы В.Б.Алесковского по развитию методов «химической сборки» (послойного синтеза). Еще в советское время под руководством И.Д.Морохова были выполнены исследования по созданию и практическому внедрению в атомную энергетику оригинальных технологий получения ультрадисперсных (нано-) порошков. В те же годы проведены фундаментальные исследования научной школой академика И.В.Тананаева, предложившего дополнить классические диаграммы «состав-структура-свойство» координатой дисперсности [10].

Старт нанотехнологическому буму дала программа ННИ (Национальная Нанотехнологи-ческая Инициатива) [16], подписанная в январе 2000г. президентом США Б.Клинтоном на основе изложенных в работе [3] данных. США поставили задачу стать лидером во всех нано-технологических исследованиях. В Японии такая программа появилась в 2001г. [4].

Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004г.) выделяют следующие типы наноматериалов [10]: нанопористые структуры; на-ночастицы; нанотрубки и нановолокна; нанодисперсии (коллоиды); наноструктурированные поверхности и пленки; нанокристаллы и нанокластеры. Кроме наноразмерных частиц, нано-объектами являются поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки, стенки), объемные наноструктуры (поры и капилляры), пленки веществ наноразмерной толщины [16].

Наблюдения наноявлений в коллоидной химии известны давно. Так, золото обычно имеет желтый цвет. Но в 1857г. М.Фарадей впервые получил коллоидный раствор золота красного цвета. И только в 1903 г. был создан оптический ультрамикроскоп, имеющий разрешение до 5 нм (Нобелевская премия в 1925г.), с помощью которого удалось установить, что коллоидные растворы золота в отраженном свете имеют желтый цвет при размерах частиц золота до 20 нм, красный цвет — при размерах 20—40 нм, синего — до 100 нм [16].

Также давно физико-химики создают технологии регулирования наноразмерных комплексов и кластеров на основе изучения механизмов их движения, в том числе регулирования смачиваемости, которые в современном понимании есть нанотехнологии [17].

Основоположником нанотехнологий считается один из крупнейших физиков ХХ века Нобелевский лауреат Р.Фейнман, который в 1959г. указал на возможность оперирования на-ночастицами. В 1966г. была обоснована идея использования туннельного эффекта для определения рельефа поверхности на наноуровне [18]. Термин «нанотехнология» впервые появился в работе японского инженера Н.Танагучи в 1974г. [10, 16].

С 1980 г. в технологии производства транзисторов стали использовать искусственно создаваемые пленки толщиной около 10 нм, что позволило существенно улучшить качество транзисторов. В 1981г. появляется сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий осуществить воздействие на наночастицы (Нобелевская премия 1986 г.). В 1982-1990гг. развитие микроскопной техники достигло возможности управлять отдельными атомами [16].

Общепринятое теперь системное истолкование термина «нанотехнология» ввел сотрудник Массачусетского технологического института Э.Дрекслер (1986 г.) в работе «Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии» [10, 16, 19]. Там же он описал нанороботы.

В 1991 г. были созданы углеродные нанотрубки — крошечные цилиндры диаметром 0,5—1,0 нм и длиной 1 мкм (1000 нм), являющиеся третьей кристаллической формой углерода кроме алмаза и графита. В 1994г. началось применение нанотехнологических методов в промышленности и в 1998 г. датские ученые продемонстрировали функционирование атом-

ного бинарного триггера, позволяющего запоминать два состояния [4]. В 1997—1998гг. углеродные нанотрубки нашли применение в весах для взвешивания вирусов [16].

В 1998г. изготовлен элемент памяти ЭВМ с объемом 128 МВ, работающий при комнатной температуре [4]. В 1999 г. микроэлектроника преодолела рубеж 100 нм для размеров элементов в горизонтальной плоскости. В 2000г. разработаны основы нанотомографии — создания трехмерной картины вещества с разрешением 100 нм [16].

В 2002 г. созданы основы бионаномеханизма путем соединения углеродной нанотрубки с молекулой ДНК [16]. Фактически наномир снял все различия между биологическим и неорганическим миром — т.е. между мертвой и живой природой [12]. В 2005г. расшифрован механизм копирования клетками генетической информации. В 2007г. разработаны технологии печати с разрешением 10—60 нм [16].

Однако многие из давно используемых человечеством материалов и процессов фактически связаны с нанотехнологиями, поскольку все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Например, к таким технологиям относятся фотография и добавки глин в каучук для получения высокачественной резины [3]. Или рубиновые звезды на башнях Кремля, при изготовлении которых в середине ХХ века было использовано наблюдение Фа-радея. А поиск красок для аналогичной бабочкам или страусам цветовой гамме привел к тому, что на самом деле крылья бабочки и перья страуса белые, но имеющие различную наноструктуру, которая в отраженном свете дает видимость уникальной раскраски [20]. Фактически это продолжение наблюдений Фарадея с использованием современной техники.

В широко известном произведении русского писателя Н.Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент: «Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерового имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в пять миллионов раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Если такой литературный герой Левша существовал, то Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом [21].

В настоящее время не существует четкой границы, с помощью которой можно было бы отделить истинно нанотехнологию от близких дисциплин атомной и молекулярной науки. Королевское общество инженеров Великобритании дало следующие определения [18]: «На-нонаука изучает явления и превращения, происходящие с материалами на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, когда их свойства значительно отличаются от макроскопических свойств», «Нанотехнологии — это проектирование, описание, производство и использование структур, средств и систем с помо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком