Что же такое нанотехнологии? Для начала следует сразу подчеркнуть, что термин «технология» в рассматриваемом случае следует воспринимать в значении «техника», а не относить его лишь к некоторым техническим процедурам. Префикс нано- является заимствованием из греческого языка, где nanos означает «карлик». Подобно аналогичным префиксам, заимствованным из греческого или латыни, частица "нано" применяется для обозначения определенной доли (фракции) физических величин. В данном случае речь идет об одной миллиардной части (10~9 = 0, 000 000 001) какой-либо величины, что позволяет вводить, например, нанолитр ( = Ю-9 литра), наносекунду (1 нм) или нанометр (1 нм = одной миллиардной метра, одной миллионной миллиметра или одной тысячной микрометра). Введение таких дополнительных мер длины играет особую роль для определения НТ, однако я повторю, что НТ нельзя упрощенно связывать лишь с масштабами объектов.
Читатель может оценить сложность проблемы, если вспомнит, что для достаточно малых систем функциональные свойства материалов или их отдельных компонентов начинают зависеть от размеров объектов. Речь идет о том, что основные характеристики вещества как целого, обычно рассматриваемые в качестве постоянных (например, твердость, электрическая проводимость, цвет или химическая активность мелких частиц) для любого заданного материала, начинают зависеть от размера частиц. Этот эффект нельзя наблюдать в объемных материалах или у более крупных частиц: стальная булавочная головка имеет те же основные физические свойства (серебристый блеск, твердость, электропроводность и точку плавления), как и слиток стали того же сорта весом в 1 тонну. Обычно физико-химические свойства веществ не связаны с их размерами, но ситуация принципиально изменяется при переходе к нанообъектам и нановеществам. Например, миниатюрные полупроводниковые компоненты меньше некоторой критической величины ведут себя совсем не так, как их более крупные аналоги, так как электрические токи в таких объектах могут протекать только в некоторых изолированных областях, а значения тока могут возрастать при росте напряжения ступенчато, а не непрерывно. В таких системах характерное измерение размеров оказывает непосредственное влияние на функциональность компонентов и их свойства. Поэтому представляется целесообразным дать следующее определение:
Специфические функциональные параметры в НТ достигаются путем связи между соответствующими свойствами и уменьшением характерных структурных размеров в тех случаях, когда размеры объектов (по крайней мере, в двух измерениях) не превышают значения 100 нм.
Этого кажущегося несколько абстрактным определения (формулы), с одной стороны, вполне достаточно, чтобы упорядочить представления о различных областях применения НТ. С другой стороны, оно исключает некоторые области применения инновационного характера, которые "незаконно" причисляются к НТ. Особое значение имеет установление нанообласти в интервале 1-100 нм, так как именно в этой области размеров проявляется большинство абсолютно новых свойств любых объектов. Ниже этого предела находятся отдельные атомы или молекулы, а выше — микротехнологии. Путем ограничения в приведенном определении на два манометровых измерения исключается возможность, что продуктом НТ назовут, например, просто очень тонкий слой на поверхности (толщиной несколько нм), хотя структурные компоненты этого слоя при соответствующих параметрах, несомненно, будут являться нанокомпонен-тами системы.
В соответствии с приведенным выше определением, НТ не является чем-то абсолютно новым, поскольку частицы с нано-метрическими параметрами известны очень давно (например, именно такими частицами давно занимаются специалисты по коллоидной химии). Более точные и научно строгие определения, особенно в вопросах нанотехнологического синтеза, требуют возможности обращения и доступа ко всем компонентам нанообъекта. Говоря о так называемых молекулярных НТ, следовало бы рассматривать развитие по принципу «снизу - вверх», при котором наноструктуры целенаправленно создавались бы из отдельных атомов или молекул. Отдавая должное существующей ситуации и перспективам дальнейшего развития методов изготовлении наноструктур, было бы целесообразно оставить приведенную формулу (определение) без изменений и просто констатировать, что принципом, объединяющим различные нанотехнологии, выступает целенаправленное использование приведенного выше ограничения свойств объектов. Наноструктуры можно производить как с помощью методик типа сверху - вниз (основной принцип которых состоит в постепенном уменьшении размеров от макро- через микро- до нанообласти), так и посредством методик типа снизу - вверх, основой которых служит атомарный или молекулярный синтез все более крупных и усложняющихся структур. Используя новейшие методы супрамолекулярной химии или генных технологий, уже сейчас удается синтезировать структуры величиной в нанометры, однако вплоть до настоящего времени представлялось невозможным производить их в массовом количестве, то есть создавать в пробирке большое число одинаковых наноразмерных «объектов» (например, типа показанной на рис. 1 структуры), обладающих одинаковой, точно заданной функциональностью. С другой стороны, подобное "производство" не только не противоречит законам природы, но и реально осуществляется в биологических системах, где постоянно синтезируются в больших количествах сложнейшие «наномашины», функциональность которых обусловлена параметрами и размерами, приведенными в определении.
В качестве типичного примера действия биологических механизмов можно рассмотреть размножение вирусов, протекающее в природе подобно отлично отлаженному массовому производству, действующее совершенно безошибочно и, естественно, без вмешательства человека. Как правило, вирусы состоят из тысяч протеиновых соединений, которые многократно реагируют друг с другом под действием межмолекулярных сил в неравновесных термодинамических условиях. При ошибках в процессе «сборки», как правило, начинают действовать какие-то биологические процессы «самоизлечения» или «исправления». Известно множество примеров биологических машин на межклеточном уровне с удивительными свойствами и поразительной функциональностью, и именно к этой области биологии примыкает большой раздел НТ, называемый нанобиотехнологией и представляющий собой промежуточную дисциплину на границе между собственно НТ и биотехнологией.
Выводы: В НТ взаимосвязь между структурными размерами и функциональностью целенаправленно используется для получения материалов и компонентов с новыми характеристиками. Наноструктуры могут создаваться методиками сверху -вниз и снизу - вверх. Принципиальная цель НТ состоит в создании и применении стратегий, напоминающих те, которые существуют и действуют в природе, что придает НТ особое значение. Нанотехнологии - концепт мобильного телефона
|
Главная 
