ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 1, с. 3-10
НАУКА И ОБЩЕСТВО
Публикуемая статья фиксирует состояние нанотехнологических исследований в России. Автор отмечает их отставание от подобных исследований в развитых странах и намечает меры, необходимые для их дальнейшего прогресса.
ПРОБЛЕМА РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
Ю. Д. Третьяков
Если бы меня спросили, какая область науки может обеспечить нам прорыв в будущее, я бы назвал нанотехнологии.
Р. Фейнман
Нанотехнологический бум, переживаемый в настоящее время международным и российским научным сообществом, формально во многом сродни буму, который пережило почти 20 лет назад это сообщество в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Напомню, что 18 октября 1986 г. публикация будущих нобелевских лауреатов И. Беднорца и К. Мюллера в журнале "Zeitschrift für Physik" дала старт гонке, которая несколькими месяцами спустя позволила исследователям техасского университета под руководством профессора К. Чу создать керамические оксидные сверхпроводники с критической температурой, превышавшей точку кипения жидкого азота (-180°С).
Впервые в мировой практике благодаря электронной почте информация об этом открытии распространилась с огромной скоростью, и потребовались лишь одна-две недели, чтобы исследователи многих стран воспроизвели, а в ряде случаев и превысили достижения группы Чу. В нашей стране это было впервые сделано совместно химиками и физиками Московского университета.
ТРЕТЬЯКОВ Юрий Дмитриевич - академик, декан факультета наук о материалах Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
Месяцем позже были созданы первые образцы сверпроводящих плёнок и покрытий, проволок и соленоидов, показавших, что высокотемпературная сверхпроводимость может стать технической реальностью. Тогда-то сверхпроводимость из научной проблемы превратилась в государственную. Была образована государственная комиссия, которую возглавил тогдашний премьер-министр Н.И. Рыжков, а 26 мая 1987 г. учёные и политики встретились, чтобы, по сути дела, дать старт Государственной научно-технической программе по высокотемпературной сверхпроводимости.
Значительное финансирование, которое с учётом инфляции в нынешних ценах составило около 500 млн. долл./год, позволило существенно и достаточно быстро обновить приборный парк ведущих академических, отраслевых институтов и вузов и привлекло огромное число исследователей, многие из которых стремились преуспеть в создании новых поколений высокотемпературных сверхпроводников с более высокой критической температурой и особенно высокой критической плотностью тока, что в конечном счёте предопределяло технические возможности использования сверхпроводящих материалов. Многие из этих исследователей располагали лишь дифрактометрами, печами и простейшими магнитными измерительными системами, функционировавшими при температурах жидкого азота, но и этого было достаточно, чтобы продвинуться вперёд и достичь определённого успеха.
Хочу особенно подчеркнуть последнее обстоятельство, поскольку квалифицированная активность в создании новых нанотехнологий и нанома-териалов требует, несомненно, более дорогого синтетического и диагностического оборудования,
включая чистые комнаты, электронные и атом-но-силовые микроскопы, рамановские и оже-спектрометры, источники синхротронного излучения и многое другое. Известно, что фронт работ в области высокотемпературных сверхпроводников в настоящее время значительно сузился, хотя и сейчас реализуются очень значимые по масштабам научно-технические проекты, связанные, в частности, с созданием сверхпроводящих моторов (Л.К. Ковалёв), длинномерных сверхпроводников для сильноточной энергетики (H.A. Черноплёков, А.Р. Кауль), электронных устройств и их компонентов, включая электромагнитные экраны, модуляторы, антенны, болометры для широкого диапазона излучений, а также измерительные устройства, использующие эффект Джозефсона.
Естественно, возникает вопрос, не разделит ли нынешний нанотехнологический бум судьбу бума, последовавшего за открытием ВТСП. Боюсь, что сейчас трудно дать однозначный ответ на этот вопрос, хотя знаю, что есть очень уважаемые лица, представляющие как научное, так и бизнес-сообщества, которые довольно скептически относятся к идее переустройства мира благодаря повсеместному внедрению нанотехнологий. Думаю, что если, как и в случае с ВТСП, оправдаются далеко не все оптимистические прогнозы, связанные с развитием нанотехнологий, то и тогда наша страна могла и должна была бы последовать примеру наиболее индустриально развитых стран, тем более что нынешний шанс использовать "нефтяные" и "газовые" деньги может и не повториться.
Но вернусь к теме, обозначенной в названии статьи. Прежде всего было бы целесообразно определиться с содержанием понятия "нанотех-нологии", впервые появившегося в литературе в 1974 г. с легкой руки Н. Танигучи (Япония). В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм. Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых обусловлены упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.
Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.), выделяют следующие типы наноматери-алов:
- нанопористые структуры;
- наночастицы;
- нанотрубки и нановолокна;
- нанодисперсии (коллоиды);
- наноструктурированные поверхности и плёнки;
- нанокристаллы и нанокластеры.
Последние представляют собой частицы упорядоченного строения размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов. Собственно наночастицы диаметром от 5 до 100 нм состоят из 103108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо больше атомов и иметь один или даже два линейных размера, превышающих пороговое значение, но их свойства остаются характерными для вещества в нанокристалличе-ском состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер её структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причём их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм. В зависимости от того, какую преимущественную анизотропию имеют структурные элементы наноструктур, последние также подразделяют на одно-, двух- и трёхмерные (нульмерные).
Наиболее важной отличительной особенностью наносистем является проявление в них эффекта размерного квантования. С классической точки зрения, по мере уменьшения размеров частиц в системе должно происходить увеличение удельной поверхности, а свойства объёмной фазы остаются неизменными. При этом влияние размеров частиц на термодинамику системы учитывается введением в выражение для свободной энергии дополнительного слагаемого yds, где y -коэффициент поверхностного натяжения, не зависящий от размера, а s - площадь поверхности. Согласно уравнению Томпсона, по мере уменьшения размеров частиц происходит увеличение равновесного давления пара и растворимости, изменяются температуры плавления и других фазовых переходов. Ряд экстенсивных свойств системы, связанных с протеканием процессов на её поверхности, таких как адсорбция и катализ, пропорциональны удельной поверхности. Значение удельной поверхности частиц резко возрастает по мере приближения их размера к атомарному, что связано со значительным увеличением числа атомов, составляющих именно поверхность частиц.
Вместе с тем многие свойства материалов (в том числе магнитные, оптические, электрические) являются следствием коллективных взаимодействий в твёрдом теле и не могут сохраняться при переходе от объёмного к наноматериалу. В этом случае свойства веществ не могут быть объяснены только увеличением их удельной поверхности и ростом числа поверхностных атомов без учёта квантоворазмерных эффектов. Примерами могут служить такие явления, как образование квантовых точек в случае, когда размеры частиц полупроводника соизмеримы с дебройлев-ской длиной волны электрона, изменение ширины запрещённой зоны за счёт локализации эксито-
нов, переход ферромагнитных материалов в суперпарамагнитное состояние. Однако иногда размерный эффект проявляется даже в таких свойствах веществ, как их каталитическая активность или реакционная способность: с уменьшением размера частиц может наблюдаться как резкое увеличение, так и уменьшение удельной активности, то есть активности, отнесённой к одному атому металла. Как правило, этот эффект особенно ярко выражен у кластеров.
Следует отметить, что важнейшей компонентой нанотехнологий является химический синтез нанопродуктов. В связи с этим уместно напомнить, что нобелевский лауреат Р. Хоффман (кстати, по образованию физик, проработавший некоторое время в Московском университете) в ответ на вопрос, что такое нанотехнология, остроумно заметил, что рад тому, что для химии люди нашли новое название. Теперь у них появился стимул изучать то, что они не желали учить в школе. По сути дела, химики занимались нанотехнологи-ями на протяжении двух с половиной столетий. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединила талант химика-синтетика с мастерством инженера, и именно этот союз позволил создавать самые замысловатые структуры благодаря использованию как разнообразных темплатов, так и безтемплатных процессов, подобных оствальдовскому вызреванию или использованию эффекта Киркиндаля.
Что можно сказать об истоках нанотехноло-гии и о фундаментальном вкладе российских исследователей в развитие нанотехнологий? Отправной точкой обычно считают легендарную лекцию нобелевского лауреата Р. Фейнмана "Там внизу ещё много места" ("There's Plenty of Room at the Bottom"), в которой он предлагал манипулировать отдельными атомами для создания очень малых объектов с необычными свойствами. Эта идея была реализована в дальнейшем благодаря созданию сканирующего туннельного микро
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.