ПОПУЛЯРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

НИОКР

Нанореволюция продолжается / 02.04.2008

© Аркадий Мальцев

Источник: Товарный гид

Автор: Аркадий МАЛЬЦЕВ

В России работы в области нанотехнологий ведутся в более чем в 80 академических, отраслевых и учебных институтах. Работы по натотехнологиям ведутся в рамках нескольких комплексных программ, реализуемых Российской академией наук. Среди них – программы «Низкоразмерные квантовые структуры» (координаторы Ж.И. Алферов и Ю.А. Осипьян), «Квантовая микрофизика» (координатор А.Ф. Андреев), «Наноматериалы и супромолекулярные системы» (координаторы Н.П. Лякишев и М.В. Алфимов), «Новые принципы и методы создания направленного синтеза веществ с заданными свойствами» (координаторы В.А. Тарковский и Н.Т. Кузнецов).

В США с 2000 года действует Национальная программа по нанотехнологиям (National Nanotechnology Initiative – NNI), основными исполнителями которой определены организации Министерства обороны и оружейные лаборатории Министерства энергетики (ведающего ядерно-энергетическим комплексом США). NNI выделяет пять ведущих направлений развития нанотехнологий. Это долговременные фундаментальные исследования, позволяющие понять природу наноструктурированных веществ и разрабатывать на этой основе технологии измерения, моделирования, имитации и обработки материалов в наномасштабе.

Это синтез и создание «по заказу» («by design») наноразмерных компонент для конструирования наноструктурных строительных блоков и систем с использованием концепции самоорганизации, что позволит создавать новые классы высококачественных материалов и биоуправляемых систем (bioinsprired systems), внесет существенные изменения в принципы конструирования различных приборов и даст возможность управлять поведением атомов, молекул и кластеров в наноструктурных системах. Это исследования в области концепций наноустройств и архитектуры наносистем, позволяющие использовать свойства новых элементов наноустройств, состоящих по существу из укрупненных молекулярных структур, в существующих системах с их последующей ультраминиатюризацией. Это различные приложения наноструктурированных материалов и систем к промышленному производству, силовым установкам энергетики, национальной безопасности и здравоохранению. Наконец, это обучение нового поколения высококвалифицированных рабочих и специалистов для обеспечения дальнейшего быстрого прогресса в нанотехнологиях.

В последние десять лет во всех развитых странах ведется интенсивное изучение новых наноматериалов. Это три различных класса объектов: ультрадисперсные порошки и компактные нанокристаллические материалы; нанокластеры и нанокластерные структуры; фуллерены, нанотрубки и их производные. Приоритет открытия веществ, находящихся в ультрадисперсном состоянии (по современной терминологии – в наносостоянии), принадлежит отечественным ученым, которые начали заниматься такими исследованиями еще в 1950-х, однако первая публикация по свойствам наноструктур появилась лишь в 1976 году.

Изучение наноматериалов требует использования таких методов исследования, как масс-спектрометрия (в том числе лазерная), спектроскопия, жидкостная хромотография, электронная микроскопия высокого разрешения, рентгеноструктурный анализ, электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонансы, туннельно-зондовая микроскопия (в том числе сканирующая, атомно-силовая, оптика ближнего поля).

Используемые в нанотехнологиях объекты, относящиеся к ультрадисперсным и наноматериалам, чрезвычайно многообразны, число их растет с каждым годом. К числу наиболее перспективных среди них относятся различные виды нанокерамики, а также керамики, модифицированной нанодобавками; полупроводниковые наноматериалы; квантовые точки, нити, сверхрешетки; островковые пленки и некоторые другие.

Особый интерес представляют различные формы стабильных углеродных наноструктур – фуллерены (открыты в 1985 году), нанотрубки (открыты в 1991 году), нанокольца, ультрадисперсный алмаз, нанопористый углерод и некоторые другие. В 1993 году Министерством науки и технологий РФ была разработана Федеральная целевая программа «Фуллерены и атомные кластеры», включавшая весь спектр изучения новых материалов – фундаментальные исследования, возможные способы их получения и перспективы практического использования.

Электрические, оптические и механические свойства фуллереноподобных материалов в конденсированном состоянии и нанотрубок позволяют значительно расширить возможности приборов и структурных элементов в нано- и оптоэлектронике и одновременно существенно уменьшить их размеры. В частности, уже созданы прототипы одноэлектронных транзисторов из нанотрубок. Сильная оптическая нелинейность фуллеренов и нанотрубок позволяет вдвое-втрое увеличивать частоту проходящего через них света, что открывает перспективу для создания оптических затворов, ключей и частотных модуляторов – основных элементы будущих оптических процессоров.

Среди важнейших направлений, по которым работают российские ученые, – компьютерная техника,  создание приборов вакуумной микроэлектроники на основе автоэлектронных эмиттеров – нанотрубок, обладающих высокой радиационной стойкостью; создание полевых, в том числе одноэлектронных, транзисторов на нанотрубках, квантовых проводниках и других углеродных наноструктурах и интегральных устройств обработки сигналов на их основе; решение технологической проблемы управляемой сборки или ориентированного формирования нанотрубок для создания высокоинтегрированных устройств обработки информации.

Уже очевидны и перспективы применения наноматериалов в более «тяжелых» отраслях – транспорте, машиностроении, строительстве. Ультрадисперсные добавки позволяют существенно изменять свойства традиционных материалов и используемые технологии. Так, добавка фуллерена к смазочным материалам (и к жидким, и к твердым – графитовым или из дисульфида молибдена) существенно снижает трение в механических узлах различных механизмов и машин. Многофункциональные алмазографитовые присадки к моторным маслам улучшают их антифрикционные, противоизносные свойства, при этом расход топлива сокращается на 2–7 %, износ деталей – в 1,5–2,5 раза, а мощность двигателя внутреннего сгорания увеличивается на 2–4 %.

Прочность металла, имеющего ультрадисперсную структуру, повышается в полтора-два раза, твердость – в 50–70 раз, коррозионная стойкость – в 10–12 раз.

Здесь к числу приоритетных направлений относятся: создание новых композиционных материалов на основе металлов и сплавов, модифицированных фуллеренами и нанотрубками, для комплексного повышения износостойкости, прочности и трещиностойкости элементов, используемых в машиностроении, и повышения надежности систем токосъема для электротранспорта; разработка новых смазочных и охлаждающих составов с добавками ультрадисперсных и наноматериалов, повышающими ресурс механических узлов трения транспортных систем; получение новых строительных материалов с использованием методов наноструктурирования.

Тем самым нанотехнологии принципиально изменяют не только сферу hi-tech’а, но и добывающие и перерабатывающие отрасли промышленности, определяя вектор постиндустриального развития ближайших десятилетий.

 

Анонсы событий