Инженер Иван Комаров о том, как родились нанотехнологии, почему трудно создать «лес» из нанотрубок и можно ли выстроить новый материал из отдельных атомов

Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Нанотехнологии — это способы манипуляции с материалами, хотя бы один из размеров которых меньше 100 нанометров. Такая граница объясняется тем, что при уменьшении размеров до 100 нанометров и менее у материалов зачастую появляются новые свойства за счет увеличения влияния сил межмолекулярных взаимодействий и вандерваальсовых сил — относительно гравитационных сил, оказывающих значительное влияние в макромире, а также за счет увеличения доли атомов на поверхности нанообъектов относительно доли атомов в объеме объекта, особенно для частиц размером менее 10 нанометров.

Нанотехнологии до появления термина

В том или ином виде люди использовали полезные свойства наночастиц со времен Древнего Египта, где еще в XIV–XIII веках до нашей эры их применяли для придания цвета стеклу [1] . Например, кубок Ликурга (примерно IV век нашей эры), где за счет присутствия наноразмерных кластеров серебра и золота в соотношении 7:3 с размерами частиц 50–100 нанометров цвет чаши меняется от желто-зеленого при внешнем освещении до рубинового при освещении изнутри [2] .

Кубок Ликурга при разном освещении // Wikipedia Commons

Позже люди также работали с наночастицами, и наиболее распространенным применением были краски, использовавшиеся для росписей или создания витражей; основным преимуществом таких красок является их долговечность. По факту коллоидная химия, которая начала развиваться еще в середине XIX века, — это тоже работа с наноматериалами: коллоидный раствор подразумевает, что в нем содержатся нано- или крайне близкие к ним по размерам частицы.

В XX веке манипуляция с веществами, в том числе и на наноуровне, осуществлялась подходом top-down: большее разбивали на мелкие части. Значительный толчок работа с нанообъектами получила после знаменитой лекции Ричарда Фейнмана «Там, внизу, еще полно места» в Калифорнийском техническом университете в 1959 году, в которой он обозначил подход top-down к созданию физических объектов.

Рекомендуем по этой теме:

Однослойные углеродные нанотрубки

В 1980-х годах, когда изобрели зондовые микроскопы, люди научились манипулировать с различными кластерами металлов, например группой из сотни атомов. Появилась приборная база, и работы на этом уровне начали называться нанотехнологиями.

Определяя нанотехнологии, важно уточнить, что это работа не с классическими, давно знакомыми материалами, а с новыми. Большой толчок к развитию нанотехнологий дало открытие аллотропных форм углерода — это фуллерены, нанотрубки и графен.

С другой стороны, полупроводниковые гетероструктуры, за которые Жорес Алферов получил Нобелевскую премию, разрабатывались еще до открытия зондовых микроскопов, но они вполне попадают под определение нанотехнологий: это набор пленок толщиной меньше 100 нанометров. Создание гетероструктур — это тоже нанотехнология, если смотреть с позиции сегодняшнего дня.

Проблема повторяемости

Сейчас в магазинах продаются телевизоры с подсветкой на квантовых точках — нанокристаллах, которые светятся под действием тока. Квантовые точки — это пример нанотехнологии, которая наконец-то дошла до коммерциализации. Первые квантовые точки были получены в 1981 году, а широко ими занимались в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Почти 30 лет прошло с первых работ до стабильно работающего коммерческого продукта.

То, что активно разрабатывается сейчас, — сенсоры, прозрачные проводящие покрытия, материалы с памятью формы — начали исследовать еще позже. До коммерческого продукта они дойдут, скорее всего, через 5–10 лет.

Что же мешает быстро усовершенствовать технологию? Когда мы переходим на наноуровень, очень сложно обеспечить повторяемость размеров и формы наноструктур. В определенных случаях это получается хорошо, но не во всех и не всегда. Например, в свое время была идея создать «лес» из вертикально ориентированных нанотрубок, использовать его как холодные катоды и создать плоский дисплей. Пока эта идея не реализована.

Лес из углеродных нанотрубок // Dr. Yongqing Fu, University of Cambridge

Дело в том, что крайне сложно синтезировать две одинаковые нанотрубки, тем более вертикально ориентированные. Невозможно сделать лес, абсолютно одинаковый по высоте. Получается, что в одном случае напряженность поля меньше, в другом — больше. Это ведет к деградации кончика нанотрубки, электроны летят беспорядочно, и нарушается функционирование прибора. Сейчас сделали дисплеи на квантовых точках, потому что их научились получать более-менее повторяемо. Процессоры до сих пор делают на кремнии, потому что пока не получается на наностержнях сделать повторяемость достаточной степени.

Другой вариант решения этой проблемы — создать такую систему, когда микро- и наноразмерные неоднородности нивелируются макроразмерами итогового прибора, но при этом основной эффект идет на наноуровне. В итоге полученная конструкция все равно работает как макроприбор. За счет статистического распределения из нанотрубок или наностержней можно создать сетку. Сетка на достаточно большом размере в десятки микрометров или миллиметры уже может быть однородной, и ее свойства могут повторяться.

Выстраивание материалов из отдельных атомов

Рекомендуем по этой теме:

Как устроены водоотталкивающие покрытия?

В создании материалов есть подход bottom-up — от меньшего к большему. Во многом нанотехнологии изначально виделись как возможность собрать материал поатомно, буквально задать последовательность атомов, которая дала бы определенные свойства. Можно было бы создать материал, который в нужных местах обладает заданными свойствами, а в других местах — другими свойствами, при этом будучи единым, а не собранным из большого числа отдельных структурных элементов.

Можно будет создать композиционный материал, но не по нынешнему определению, где есть два связанных макроматериала, которые дают новые свойства, а композит на уровне отдельных атомов. Это дало бы новые свойства, которых сейчас пока достичь невозможно. Например, можно было бы создать очень малого размера пиксели с минимальным зазором между ними и сделать дисплей сверхвысокого разрешения. Для космических применений можно было бы создать локальные области на материале с высоким сопротивлением радиации. Можно было бы создать искусственную клетку с проницаемыми для заданных веществ областями мембраны. В создании электронных схем ученые уже очень близки к этому пределу и конструируют чипы размером 7 нанометров — это еще не поатомно, но уже близко.

Технологически это очень сложно. Например, удалось создать надпись IBM из отдельных атомов с помощью зондового микроскопа. Если постараться, можно это сделать даже из разных атомов: одну букву из одних атомов, другую — из других. Но это делается в условиях высокого вакуума и при криогенных температурах — при жидком азоте или гелии. Такие структуры нестабильны, при нагревании до комнатной температуры система развалится.

В 1989 году сотрудники IBM расположили 35 атомов ксенона в виде букв IBM на подложке из кристалла никеля

Чтобы собирать материалы поатомно, надо создать технологию, которая обеспечит возможность не просто получать стабильные структуры, но еще и делать это за вменяемое время. Знаменитую надпись IBM собирали несколько часов. На то, чтобы собрать что-то большое, уйдет неоправданное количество времени.

Моделирование свойств материала

Рекомендуем по этой теме:

Самовосстанавливающиеся материалы

Важный момент для композиционных материалов в целом и в особенности для наноматериалов — это моделирование их свойств. Для классических конструкционных композиционных материалов, которые применяются в самолетостроении, например, до сих пор не существует программ расчета прочности, которые могут полностью и точно рассчитать, как будет вести себя материал. Прочность рассчитывают полуэмпирическими методами, которые в любом случае требуют экспериментального подтверждения. Мы ждем квантовых компьютеров, которые тоже будут порождением нанотехнологий, чтобы это можно было считать.

Будущее наноматериалов

Где могут применяться различные наноразмерные структуры? Скорее всего, в обозримом будущем они выстрелят в области гибкой электроники. Все движется к тому, что многие приборы будут гибкими, в том числе дисплеи. Гораздо удобнее носить с собой тонкий, легкий и небьющийся телефон, который можно свернуть в трубочку. Наноматериалы здесь могут оказаться полезными за счет того, что многие из наноразмерных проводников обладают гибкостью. Эти устройства можно будет сгибать и встраивать, например, в одежду.

Ведутся попытки по созданию биосовместимых и даже биодеградируемых материалов. Сломался смартфон — куда его деть? В идеале — просто выбросить на газон или свалку, а потом на этой свалке вырастет сад. Пока, к сожалению, у нас получается ровно обратное: большинство современных электроприборов одноразовые и неперерабатываемые. Скорее всего, подходы, развиваемые в рамках нанотехнологий, позволят создать биодеградируемые материалы не только для электроники, но и вообще для различных областей промышленности и хозяйства.

В агрокомплексе тоже есть нанотехнологии — направленное выращивание водорослей, которые близки к наноразмерам. В биомедицине совершенствуют таргетную доставку лекарств. Для этого нужны частицы, к которым привязано лекарственное вещество, а чтобы пройти по мелким сосудам, они должны быть наноразмерными. Кроме того, ведется целенаправленная работа с биологическими веществами и биологическими объектами малых размеров.