Владислав Фельдблюм «Нано» на стыке наук - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Владислав Фельдблюм «Нано» на стыке наук - страница №1/9

Владислав Фельдблюм

«Нано» на стыке наук:

нанообъекты, нанотехнологии, нанобудущее




(Электронное междисциплинарное издание)

Ярославль - 2013




Аннотация
В издании анализируются и обобщаются опубликованные данные о состоянии и перспективах развития нанонауки и нанотехнологии. Приведены сведения о наночастицах, способах их получения и исследования, сферах применения. Рассмотрены различные направления использования нанотехнологии. Описано применение нанотехнологий в производстве новых материалов с уникальными свойствами, в биологии и медицине, в новых источниках электрического тока, в охране окружающей среды, для наноразмерных приборов и устройств, в наноэлектронике и молекулярных компьютерах, в машиностроении, на транспорте будущего, в строительстве и архитектуре, в лакокрасочной промышленности, в химических аккумуляторах солнечной энергии, в средствах связи и информации, в военной технике и др. Проанализировано влияние нанотехнологий на будущее цивилизации. Отмечены основные черты будущего нанообщества как продукта интеллектуальной и технологической революции. Подчеркивается возрастающая опасность глобальных наноугроз и важность глобальной ответственности для их преодоления. Рассмотрены перспективы России в развивающемся наномире.

В издании выдержана единая концепция всестороннего, комплексного подхода к изучению многообразной проблемы «нано». Показано, что эта проблема является междисциплинарной по своей сущности и стремительно развивается на стыке наук и благодаря взаимодействию наук – естественных, технических и гуманитарных. На многочисленных примерах убедительно показано, что развитие и практическая реализация нанотехнологий не только окажет огромное преобразующее влияние на жизнь общества, но и породит новые сложные проблемы, которые потребуют неотложного решения общими силами человечества.

Издание может рассматриваться и как учебное пособие, и как научное издание, и как своего рода путеводитель по наиболее перспективным направлениям научного и технологического прогресса. Будучи электронным, издание использует широкие возможности интернета: здесь есть и текстовой материал, и многочисленные цветные иллюстрации, и видеофайлы, и гиперссылки. Это призвано пробудить живой интерес читателей к грандиозным достижениям науки и техники, способствовать повышению качества образования.

Издание рассчитано в первую очередь на преподавателей, аспирантов и студентов технических университетов. Оно будет полезно и научным работникам при выборе и планировании наиболее перспективных направлений исследований и разработок. Оно наверняка заинтересует всех, кто хотел бы приобщиться к познанию грандиозных достижений науки и техники.



Оглавление
Стр.
Введение ……………………………………………………………………….4
1. Наночастицы……………………………………………16
1.1. Нанонауки: возникновение, развитие, взаимодействие………………..17
1.2. Нанохимия и супрамолекулярная химия………………………………..26
1.3. Виды наночастиц………………………………………………………….29
1.4. Способы получения наночастиц…………………………………………55
1.5. Методы исследования наночастиц………………………………………66
1.6. Нанохимия и катализ……………………………………………………..73
1.7. Органические соединения с функциональными группами в

нанохимии……………………………………………………………………. 79


1.8. Металлы в ультрадисперсном состоянии и нанообъекты

на их основе……………………………………………………………………81


Литература к разделу 1……………………………………………………90
2. Нанотехнологии……………………………………………… 92
2.1. Новые материалы………………………………………………………….101
2.2. Биология и медицина……………………………………………………...117
2.3. Новые источники электрического тока…………………………………..129
2.4. Охрана окружающей среды……………………………………………….133
2.5. Наноразмерные приборы и устройства………………………………… 139
2.6. Наноэлектроника и молекулярные компьютеры………………………...148
2.7. Нанотехнологии в машиностроении……………………………………..156
2.8. Транспорт будущего………………………………………………………172
2.9. Нанотехнологии в строительстве и архитектуре………………………..176
2.10. Нанотехнологии в лакокрасочной промышленности………………….180
2.11. Химические аккумуляторы солнечной энергии………………………..184
2.12. Средства связи и информации…………………………………………...187
2.13.Нанонаука против нанообмана…………………………………………..191
Литература к разделу 2……………………………………………………193
3. Нанобудущее……………………………………………………..194
3.1. Нанообщество – продукт интеллектуальной и технологической революции………………………………………………………………………202
3.2. Нанотехнологии в военной технике. Глобальные угрозы и

общая ответственность………………………………………………………..223


3.3. Россия в развивающемся наномире………………………………………250
Литература к разделу 3…………………………………………………….262
Перечень использованных сайтов…………………………………………263
Предметный указатель

Введение
Последние 15-20 лет ознаменовались бурным развитием новых направлений в науке и технике — нанохимией и нанотехнологией. Предметом изучения и применения здесь стали наноразмерные объекты (нанометр нм равен 10-9 метра): атомы, молекулы и их ассоциаты, наночастицы, наноматериалы, наноприборы и наноустройства. Возникают новые научные отрасли, такие, как супрамолекулярная химия, нанобиология, наномедицина, наноэлектроника и т. д. Лидирующее положение в них пока принадлежит США, Англии, Германии, Японии. Но к этим новым направлениям уже подключились отечественные научные школы и заинтересованные предприятия. Создана отечественная корпорация РОСНАНО для финансирования, планирования и координации исследований и разработок в этой перспективной области.
Важно отметить, что рассматриваемые новые направления являются междисциплинарными, т.е. находятся на стыке наук. Это объясняется, во-первых, тем, что получение и исследование столь малых объектов возможно лишь при объединении достижений и методов различных научных дисциплин. Во-вторых, результаты и достижения нанохимии и нанотехнологии являются по сути междисциплинарными. Они используются во многих науках и сферах деятельности людей: в химии, физике, механике, медицине, материаловедении, машиностроении, электронике, оптике и т.д. Успехи нанотехнологии еще раз показывают, какие выдающиеся открытия и технические новшества рождаются на стыке наук.
К настоящему времени опубликованы десятки книг, тысячи патентов и научных статей по различным аспектам проблемы «нано». Ниже показаны некоторые книги. При всем многообразии освещения этой интересной и важной проблемы, её междисциплинарный характер отражен недостаточно. Предлагаемая ныне читателям электронная книга имеет целью отчасти восполнить этот пробел и осветить проблему «нано» с разных сторон – естественнонаучной, технической и гуманитарной.























































Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.

Нанотехнологии уже так или иначе затрагивают нашу жизнь. Нанопродукты можно обнаружить в автомобилях и в краске на стенах домов. По прогнозам к 2010 году мировой рынок нанопродуктов и услуг вырастет до 1 трлн. долларов. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

В некоторых книгах можно встретить следующее определение: нанотехнология - это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами. В связи с данным определением возникает естественный вопрос: каким же образом можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Попробуем разобраться в этом, а так же раскрыть суть нанонауки, рассмотреть историю ее развития, выделить объекты ее изучения, методы исследования, и, что самое интересное, понять, как человек реализует огромный потенциал нанонауки в повседневной жизни. Нанонаука основана на изучении объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен 1 нм.

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения нанотехнологий, - это труды российского физика Г.А. Гамова. в 20-е годы XX века он впервые произвел решения уравнений Шредингера. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное "туннельным эффектом" (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. В 1939 году немецкие физики Э. Руска и М. Кноль создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов.

Вообще мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их "атом за атомом", восходит к знаменитой лекции "Там внизу много места" одного из крупнейших физиков XX века, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно, т.е. использовать атомы как обыкновенный строительный материал.

В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Г. Мур, один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18-24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое.

В 1968 году сотрудники американского отделения исследования полупроводников Дж. Артур и А. Чо разработали теоретические основы нанообработки поверхностей. В 1973 году советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в области нанотехнологий.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Э. Дрекслера, работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин "нанотехнология" впервые (в 1974 году) предложил японский физик Н. Танигучи из Токийского университета. Нанотехнология, по Н. Танигучи, - это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10-9 м, включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году немецкие ботаники В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие физики К. Бинниг и Э. Руска, а также швейцарец Г. Рорер из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. С помощью такого микроскопа стало возможным "захватить" атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.

В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика, Г. Крото, американских химиков Р. Керла, Д. Хита и Ш. О'Брайена под руководством Р. Смолли получил новый класс соединений - фуллерены - и исследовал их свойства. В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С60. Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм. В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами. Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Д. Эйглер и Э. Швейцер из Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы.

В 1991 году японский исследователь С. Ииджима из компании NEC открыл углеродные нанотрубки. В 1992 году Э. Дрекслер на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать "практическая нанотехнология". Это дало мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц - нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии. В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации. Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нм возрастут квантовомеханические помехи, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.
Настоящее междисциплинарное электронное издание является одновременно и научно-популярной монографией, и своего рода путеводителем, и методическим пособием. Оно предназначено для учителей и учащихся старших классов школ, преподавателей и студентов высших учебных заведений. Задача книги в том, чтобы привлечь внимание читателей к этой динамично развивающейся области науки и техники, пробудить интерес к ней, дать основы знаний, стимулировать междисциплинарные научные исследования, показать плодотворность взаимодействия различных научных дисциплин для решения актуальных проблем в естественнонаучной и гуманитарной сферах.
В работе над этим изданием большую помощь оказали моя жена Татьяна Викторовна Коновалова, инженер, кандидат технических наук, и мой сын Евгений Владиславович Коновалов, доцент Ярославского государственного университета, кандидат физико-математических наук. Выражаю им сердечную признательность и благодарность.
1. Наночастицы
1.1. Нанонауки: возникновение, развитие, взаимодействие

 

  В узком смысле слова термин «нанонаука» - это наука о наноразмерных объектах. Она изучает создание и модифицирование объектов, которые включают фрагменты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате приобретают принципиально новые качества. Эта отрасль знания относительно молода. Но с самого начала стало ясно, что свойства нанообъектов могут быть успешно изучены только совместными усилиями различных наук. Иными словами, нанонаука – это типичное междисциплинарное направление в изучении материального мира. Со временем к названию соответствующих наук стали добавлять «нано». Так возникли нанохимия, нанофизика, нанобиология и т.д. Каждая из них исследует соответствующие особенности нанообъектов, а вместе они позволяют охарактеризовать нанообъект в целом. Это напоминает хорошо известную ситуацию, когда кардиология, офтальмология, ревматология и пр. - это науки о лечении различных органов человеческого организма, а объединение их усилий даёт нам медицину для лечения всего больного организма.



Практическое применение достижений нанонаук породило разнообразные «нанотехнологии» и «нанопродукты». Так возникли термины типа «наномеханика», «нанометаллургия», «наноэлектроника» и т.д. Среди продуктов этих нанотехнологий – «нанопорошки», «нанокраски», «нанокомпьютеры», «нанороботы» и т.п. К сожалению, со временем стала проявляться негативная тенденция к злоупотреблению термином «нано» и даже к имитации реальных понятий нанотехнологии. Но особенно сетовать по этому поводу не приходится: это удел всех отраслей научного знания, когда вместо истинной науки доверчивому обществу время от времени преподносят лженаучные поделки. Время постепенно лечит этот недуг, учит людей отличать зёрна от плевел.

Но на этом обобщение термина «нано» не заканчивается. В настоящее время совершенно ясно (и это мы постараемся показать в настоящей книге), что развитие и применение нанотехнологий неизбежно приведёт к коренным изменениям в жизни каждого человека и всего общества. В сущности, приходится говорить о неминуемом возникновении новых общественных отношений, которые откроют возможность мирного сосуществования и сотрудничества людей и народов в будущую эпоху – «наноэпоху». Так появилось употребление темина «нано» применительно к гуманитарным наукам. Стали говорить о «нанобудущем», «наномире», «нанообществе». Конечно, здесь термин «нано» употребляется не по прямому назначению. Слишком педантичный читатель с раздражением спросит: что, собственно, такое - «наномир»? Это что, такой мир, в котором будут жить одни только крохотные нанообъекты? Но такого мира не может быть, скажет он. И будет прав! Речь, конечно, идёт о будущем новом мире, в котором будут жить люди. Но это будут уже другие люди. Это будут люди, вооружённые фантастическими возможностями нанотехнологий. И от общественных отношений между этими людьми будет зависеть судьба этого мира и этих людей. Они станут процветать, если будут использовать свои новые возможности для мирного сосуществования и плодотворного сотрудничества. Но они неминуемо погибнут в пламени самоистребления, если будут использовать свои новые возможности для проявления агрессии и вражды. Именно ввиду важности этих гуманитарных аспектов нанонауки и применяется соответствующая терминология.

Вернёмся к первоначальному точному понятию о нанонауке. Начать, по-видимому, следует с нанофизики. Точнее, с тех её достижений, которые позволили человеку рассмотреть ничтожно малые детали материального мира. Первым, кто использовал измерения физических величин в нанометрах (нм), был Альберт Эйнштейн. Он в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру. Идея создания специальных приборов для изучения наноразмерных объектов принадлежит американскому учёному сербского происхождения Николе Тесла. Он спрогнозировал создание электронного микроскопа. В 1932 году голландский учёный Фриц Цернике создал первый фазово-контрастный микроскоп, за что в 1939 году получил Нобелевскую премию. Это был усовершенствованный оптический микроскоп, который позволял улучшить качество показа мельчайших деталей изображения. В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска и Макс Кноль создали электронный микроскоп с разрешающей способностью около 10 нм.

Гениальный прогноз будущего триумфа нанонауки и нанотехнологии сделал в декабре 1959 года профессор Калифорнийского технологического института (США), лауреат Нобелевской премии, Ричард Фейнман. Этот прогноз содержался в его знаменитой лекции «There is plenty of space on the bottom» («Там, внизу, много места!»). Ниже приведен видеофильм этой лекции. Здесь можно увидеть и услышать «живого» Фейнмана. Ну а те, кто хорошо владеет разговорным английским, имеют возможность прослушать лекцию целиком (продолжительность лекции примерно 1 час 20 минут):


http://www.youtube.com/watch?v=4eRCygdW--c

Главная мысль Фейнмана была в том, что в будущем станет возможно не только рассматривать мельчайщие частицы в мощные микроскопы, но и манипулировать ими, собирать новые объекты последовательно «молекула за молекулой» и даже «атом за атомом». Большинство восприняло это утверждение как шутку или в лучшем случае как фантастику далёкого будущего. Тем более, что Фейнман утверждал: атомы можно будет использовать как обыкновенный строительный материал, как кирпичи или детали машин! Но «фантастика» стала явью гораздо раньше, чем думали даже убеждённые оптимисты.

Нанотехнологии начали зарождаться в 80-е годы минувшего столетия. Одним из основоположников является американский учёный Ким Эрик Дрекслер. Он работал в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США). Большую роль сыграла его концепция универсальных молекулярных роботов, способных работать по заранее заданной программе и собирать любые объекты из молекул. Это тоже было воспринято как несбыточная фантастика. Но прогноз Дрекслера оказался довольно точным: в конце 80-х и начале 90-х годов его идеи начали сбываться.

Ричард Филлипс Фейнман


Ким Эрик Дрекслер

В 1981 году в Германии физики Герд Карл Бинниг и Эрик Руска, а также в Швейцарии Гейнрих Рёрер впервые испытали сканирующий туннельный микроскоп. За это они в 1986 году были удостоены Нобелевской премии. Этот прибор позволил построить трёхмерную картину расположения атомов на поверхности материала-проводника. С помощью движущейся иглы микроскопа над поверхностью кристалла оказалось возможным измерить неровности высотой в один атом. Более того, стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и переместить его в нужное место. Это положило начало технике манипулирования атомами для сборки нужных структур. В 1986 году Г.Бинниг из Германии разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), позволяющий «рассматривать» любые объекты, над которыми движется игла датчика.

Важным этапом в развитии нанохимии стало открытие фуллерена. Оно было сделано в 1985 году коллективом учёных. В него входили английский астрофизик и химик Гарольд Крото, американские химики Роберт Керл, Джеймс Хит, Шон О’Брайен и группа в университете Раиса (США) под руководством Ричарда Смолли. Инициатором работы был Крото. Первый способ искусственного получения твёрдого кристаллического фуллерена предложили в 1990 году Вольфганг Кречмер и Давид Хаффман с сотрудниками в Институте Ядерной физики Гейдельберга (Германия). За открытие и исследование фуллерена была присуждена Нобелевская премия в 1996 году.

Примерно в это же время вошёл в употребление термин «нанотехнология». Это произошло вскоре после опубликования в 1986 году основополагающей книги К.Э.Дрекслера «Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology» («Машина созидания: наступающая эра нанотехнологий»). В своей следующей известной книге «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation» («Наносистемы. Молекулярные механизмы, производство и программирование»), вышедшей в свет в 1992 году, К. Э. Дрекслер на высоком научном уровне рассмотрел проблемы практического применения нанотехнологий.
Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц — нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д.

Забегая вперёд, отметим в связи с этим сенсационный результат, который сравнительно недавно продемонстрировали учёные Израильского технологического института. Они в 2008 году, в честь 60-летия существования государства Израиль, создали Библию в виде «нанокниги». Содержание Ветхого Завета было нанесено на кремниевую подложку размером 0,5 мм2 (меньше булавочной головки). Текст был напечатан с использованием фокусированного ионного пучка, который вытравил с помощью ионов галлия узор на золотой плёнке толщиной 200 нм, покрывавшей кремниевую подложку. Прочитать такую Библию можно только с помощью сканирующего электронного микроскопа. Действительно впечатляющее событие, демонстрирующее интересные возможности нанотехнологии, о которых ещё совсем недавно можно было только мечтать! Важным этапом развития нанохимии стало и открытие в 1991 году углеродных нанотрубок. Автором открытия является японский учёный Сумио Иидзима. О фуллеренах и нанотрубках ещё пойдёт речь.




Гарольд Крото

Сумио Иидзима

В 1991 году началась разработка первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Аналогичную программу разрабатывали в Японии по поручению правительства. Была намечена серия проектов, направленных на создание наноразмерных приборов и устройств. Самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, и в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.
Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединявший ученых и промышленников различных отраслей. В Англии начали издаваться первые специализированные журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология». В 1997 году в Англии был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создавались специализированные лаборатории и отделы по нанонаукам и нанотехнологиям.

Развитие исследований в области нанонаук, наноматериалов и нанотехнологий активно поддерживается правительством США. Ещё администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа развития нанотехнологий с целью поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности. С 2001 года в США реализуется федеральная программа под названием «National Nanotechnology Initiative» ( «Национальная нанотехнологическая инициатива»). В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено во много раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций-участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нано-технологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, причём в том же году реальное финансирование значительно превысило запланированные расходы.


С 2003 года в США действует закон «21st Century Nanotechnology Research and Development Act» («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»). Закон направлен на закрепление американского лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки теоретических и прикладных научных исследований. Согласно этому документу пять государственных организаций получили от государства для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий финансирование в размере 3,7 млрд. долларов сроком на четыре года. Среди этих организаций такие стратегически важные ведомства как Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство (NASA), Управление по охране окружающей среды. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Национальным институтом здравоохранения.

В Европе для планирования и координации нанотехнологических разработок в 2002 году создана некоммерческая «Европейская ассоциация нанобизнеса» (ENA). Её цель – содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на применении нанотехнологий. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов. Общемировые расходы государственных структур и частных компаний на развитие нанотехнологий достигли в 2003 году 6 млрд. долларов, из которых 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов.

В России фундаментальные работы в сфере нанонауки и нанотехнологий проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них — «Физика наноструктур» под руководством лауреата Нобелевской премии академика Ж.И.Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлектронике» под руководством академика К.А.Валиева.


В Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе под руководством Ж.И.Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН В.В. Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Ю.В.Копаева. Для развития и координации работ в этой области в Российской академии наук создано новое подразделение — Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал член президиума РАН, академик Е.П.Велихов, а его заместителем — академик РАН Ж.И. Алферов. Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 г. утверждена Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы». Цель данной программы — создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

Для содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологии, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, в соответствии с Федеральным законом от 19 июля 2007 г. № 139-ФЗ создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех» или «РОСНАНО»). В ее уставный капитал государством направлены огромные для российской науки средства - 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах. Корпорация является некоммерческой организацией.


В настоящее время её руководителем является Анатолий Борисович Чубайс. О деятельности «РОСНАНО» и её проектах будет идти речь в следующей главе.


1.2. Нанохимия и супрамолекулярная химия

      

Лауреат Нобелевской премии, французский химик профессор Жан-Мари Лен (Jean-Marie Lehn).  Один из основоположников супрамолекулярной химии. Основные направления исследований ученого — органический синтез и химия комплексных соединений. В 1987 г. Жан-Мари Лен получил Нобелевскую премию «за разработку и применение молекул со структурно-специфическими взаимодействиями с высокой селективностью» (совместно с Ч. Дж. Педерсеном и Д. Дж. Крамом). На протяжении нескольких лет Жан-Мари Лен работал в качестве приглашенного профессора в Федеральном технологическом институте в Цюрихе, университетах Кембриджа, Барселоны и Франкфурта. С 1979 г. профессор Коллеж де Франс, член Высшего совета по науке и технологии Франции. Исследователь награжден медалью Дэви Королевского общества (1997) и другими наградами.

Книга Жана-Мари Лена "Супрамолекулярная химия". – Новосибирск, Издательство «Наука», 1998. – 334 с.

(Перевод монографии, написанной лауреатом Нобелевской премии по химии, основателем направления в науке, которое получило название "супрамолекулярная химия", автором понятий "самосборка", "молекулярное распознавание" и других, фундаментальных для нанотехнологии. Книга представляет собой своего рода введение в супрамолекулярную химию, снабженное представительной на момент издания библиографией).
Ниже показаны некоторые супрамолекулярные структуры, полученные в результате «самосборки» наночастиц.















 


1.3. Виды наночастиц
В широкой трактовке к наночастицам можно отнести следующие наноразмерные объекты: крупные молекулы органических макроциклических соединений; нековалентные макроциклические структуры (катенаны, ротаксаны, узлы); молекулы полимеров и дендримеров; фуллерены, нанотрубки, наносферы, наноцилиндры, нановолокна, нанопроволоки, нанодиски, нанолуковицы и т.п.; недавно открытый графен, лежащий в основе строения углеродных наночастиц; всевозможные комбинации из нанотрубок, фуллеренов и других наночастиц; ансамбли из наночастиц.

Органические макроциклы. Такие циклические молекулы содержат большое количество звеньев. Например, в 1982-1987 г.г. методом ступенчатого синтеза были получены олигометиленовые циклы (СН2)n, где величина n доходила почти до 300 единиц. За этим последовали синтезы многих других, более сложных макроциклов [1]. Среди них – полифениленовые, полиацетиленовые, порфириновые, олиготиофеновые, краун-эфирные и другие макроциклы. В качестве примера на рисунке показан олиготиофеновый макроцикл. Он был впервые описан Крёмером и Фурманом с сотрудниками [2] и интересен для получения синтетических металлов и молекулярных устройств на их основе.


Олиготиофеновый макроцикл

На химическом факультете технологического института в Бомбее (Индия) синтезированы многие тиапорфириновые циклы [3]. Такие тиапорфирины интересны в качестве полидентатных лигандов для ионов металлов в комплексах типа «хозяин-гость», о которых ещё будет идти речь. Комплексы такого типа представляют большой практический интерес. Они находят применение при выделении ионов металлов из гидрометаллургических растворов, при химической очистке сточных вод, при химическом анализе металлов и т.д.


Тиапорфирин, координированный с ионом металла


Синтезированы и более сложные циклические молекулы. Например, получены новые фталоцианины, периферийно конденсированные с четырьмя 21-членными дитиакраун-эфирными макроциклами [4].

Фталоцианин, конденсированный с дитиакраун-эфирами


Такие молекулы способны «захватывать» путём координации сразу несколько ионов металлов или несколько нейтральных молекул, способных образовывать водородные связи. В зарубежной литературе получило распространение образное название таких комплексов host-guest («хозяин-гость»). «Гостем» является центральный ион или нейтральная молекула, а «хозяином» - макроциклический лиганд. Показанная выше фталоцианиновая структура является полидентатным лигандом, способным к многократной координации. Такие сложные макроциклические нанообъекты и их комплексы моделируют природные структуры. В частности, они используются в качестве моделей для исследования процессов фотосинтеза.

Катенаны и родственные структуры. К настоящему времени синтезированы очень интересные нековалентные макроциклические структуры – катенаны, ротаксаны, узлы. В этих сложных молекулах может не быть химической связи между фрагментами: эти фрагменты могут быть связаны чисто механически. Например, в катенанах фрагменты сцеплены между собой подобно звеньям в цепи. Такие химические цепные структуры иногда содержат много циклических звеньев, продетых друг в друга.

 

катенан



На следующем рисунке в качестве примера показана формула двойного катенана:


В других структурах (узлах) фрагменты макроциклической молекулы оказываются механически «скрученными», как показано на рисунке.


Ещё один пример – ротаксаны. В этих структурах линейный фрагмент с объёмными функциональными группами на концах («гантель») продет сквозь макроцикл («кольцо»). Функциональные группы большого объёма не позволяют гантели выскользнуть из кольца. Такие наночастицы являются предметом особенно пристального изучения в супрамолекулярной химии ввиду их большого практического значения.



Дендримеры. Больших успехов достигла и химия высокомолекулярных соединений. Наряду с обычными полимерами линейного и разветвлённого строения, получены высокомелекулярные соединения нетрадиционного типа – дендримеры, а также продукты их дальнейшей полимеризации – дендритные полимеры. Дендример по внешнему виду напоминает крону дерева, вырастающего из одного корня (англ. dendritic – древовидный). В молекуле дендримера присутствует реакционный центр (корень), от которого отходят всё более разветвляющиеся молекулярные цепочки (ветви или дендроны). Синтез дендримера осуществляют постадийно.

Синтез осуществляется из одного реакционного центра путём ступенчатого наращивания разветвлённых цепочек с концевыми функциональными группами. В итоге, через ряд стадий роста, может быть получена молекула дендримера с любой степенью разветвлённости. Если разветвлённость достаточно большая, то такая частица становится похожей на ворсистый шарик или клубок. Именно так построены очень сложные молекулы многих белков и белковых микроорганизмов. На рисунке показана в качестве примера упрощенная схема вируса.




Модель вируса

Первые дендримеры были синтезированы в 1985 году в США, почти одновременно в лабораториях профессора Мичиганского университета Дональда Томалья [5] и профессора университета штата Луизиана Г.Р.Ньюкома [6]. Из многих известных к настоящему времени дендримеров на схеме показано строение тиофенового дендримера. Тиофеновый дендример синтезирован на химическом факультете университета Алабамы в Бирмингеме (США) [7]. Он интересен для получения комплексов металлов, органических проводников электрического

тока и других перспективных объектов нанохимии и нанотехнологии. Более подробные сведения о дендримерах можно почерпнуть из обзоров, опубликованных профессором Мейджером с сотрудниками из Технологического института в Эйндховене (Нидерланды) [8] и профессорами Томалья и Фрехе [9].

Дональд Томалья





Жан Фрехе

В 2003 году описано получение дендритных звездообразных полимеров путём метатезисной полимеризации циклоолефинов [10]. (О циклоолефинах имеется монография: Фельдблюм В.Ш. Синтез и применение непредельных циклических углеводородов. – М., Химия, 1982; о метатезисной полимеризации циклоолефинов с раскрытием цикла опубликована статья: Маковецкий К.Л. Химическая энциклопедия, том 3, 1992 г., стр. 56).

Ниже показаны еще некоторые примеры синтеза и строения дендримеров.

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 



 

 

 



 

 

(дендример из тиофена)

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 




Фуллерены. Большим достижением нанохимии стало открытие фуллерена, который является ещё одним аллотропным видоизменением углерода (после алмаза, графита и карбина). Своё название фуллерен получил по фамилии американского архитектора Ричарда Фуллера (1895-1983). Он сконструировал купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году в виде сочленённых пяти- и шестиугольников. Молекула фуллерена С60 напоминает по форме футбольный мяч, откуда и происходит второе название – «футболлен».

Впервые фуллерен был идентифицирован в 1985 году английским учёным Крото и его сотрудниками. Они обнаружили его в углеродной плазме, которая образуется под воздействием мощного лазерного луча на твёрдую графитовую мишень [11]. В 1990 году Кретчмер и Хоффманн с сотрудниками получили твёрдый фуллерен С60 [12]. Они выделили его из сажи, образующейся при распылении углерода в электрической дуге между двумя угольными электродами.

 

 

 



 

 

 

Richard E.Smalley (Ричард Смолли)

 

 



 

 

 



 

 

Harold W.Kroto (Гарольд Крото)

 

 

 



 

 

 

 
 


Robert F.Curl Jr. (Роберт Кёрл)

 

 



 

 

 



 

Фуллерен С60 («футболлен»)


Будучи непредельным, фуллерен способен к реакциям присоединения с органическими и неорганическими молекулами. В частности, получено простейшее водородное соединение фуллерена С60Н2, синтезированы аддукты фуллерена с галогенами, комплексы с металлами и т.д. Особенно интересно присоединение к фуллерену органических молекул с функциональными группами. В 2003 году в университете Окаямы (Япония) методом УФ-облучения в присутствии дифенилсульфида как инициатора было осуществлено присоединение к фуллерену молекулы дисульфидного дендримера [13]. Эту интересную реакцию называют «прививкой» дендримера к фуллурену (см. схему). Это лишь один из многих примеров функционализации фуллеренов, осуществлённых за последние годы. Это направление открывает широкие возможности для нанотехнологий.




К настоящему времени химики открыли не только «футболлен». Получены и другие фуллерены, более сложной структуры. На рисунках показаны в виде красочных схем фуллерены С60, С70 и С540. Первый имеет, как уже говорилось, сферическую форму и напоминает по внешнему виду футбольный мяч. Второй имеет форму объёмного эллипсоида. Третий, фуллерен С540, имеет форму икосаэдра. Поистине непостижима природа в своих проявлениях, поистине удивительные находки преподносит она ненасытному любопытству человека разумного!


Фуллерен С60 сферический

              

 

     


 

 

 



 

 

 



      


 

 

      Фуллерен С70 эллипсоидный



 

 

 



 

 
 
 

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 Фуллерен С540, имеющий форму икосаэдра


 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 
Нанотрубки. Получены и другие углеродные наночастицы, родственные фуллерену, но отличающиеся от него по строению и свойствам. В 1991 году японский учёный Ииджима получил углеродные нанотрубки [14]. Принято считать, что они образуются путём сворачивания графеновых плоскостей в бесшовные трубки при высоких температурах. О графене ещё пойдёт речь. Методы получения, строение и свойства углеродных нанотрубок описаны в обзоре [15].




Для нанотрубок характерен диаметр от одного до нескольких десятков нанометров (нм) и длина до нескольких сантиметров.

Нанотрубки могут быть как однослойными, так и многослойными, вставленными одна в другую (см. цветные схемы).

Синтезированы и комбинированные наночастицы. В частности, установлена возможность заполнения внутренних полостей нанотрубок фуллеренами, бором, иодидом калия и т.д. Для таких сложных наночастиц разработана своя номенклатура. Например, С60@НТ означает, что фуллерен С60 находится внутри нанотрубки (терминология по аналогии с адресами электронной почты).

Кроме углеродных, получены и разнообразные неуглеродные (неорганические) нанотрубки. Известны нанотрубчатые нитриды углерода и бора, а также оксиды, сульфиды, селениды и галогениды переходных металлов. Неорганические нанотрубки рассмотрены в обзоре [16].

Однослойная углеродная нанотрубка



 

 



 Многослойная углеродная нанотрубка
 

 
 


 

 

 


Среди полученных за последние 10-15 лет наночастиц известны структуры разной формы: наносферы, нанодиски, наностержни, нанолуковицы, нанопроволоки, нановолокна, наноленты, наноплёнки и др. Всё это многообразие ещё более расширяется за счёт многочисленных агрегатов из наночастиц (см. цветную схему).

Новое развитие получает и химия наноразмерных «алмазоподобных» молекул наподобие адамантана. (Структура такого алмазоподобного нанокластера показана на цветной схеме). Уже открыто не менее полутора десятков различных фрагментов, имеющих до 40 (а не 10, как у адамантана) атомов углерода. Учёные нефтяного концерна «Шеврон-Тексако» обнаружили такие алмазоподобные наночастицы в сырой ненфти Мексиканского залива [17]. Они характеризуются типичной кристаллической решёткой алмаза и присущей такой решётке твёрдостью и устойчивостью. Сообщается, что такие структуры представляют особый интерес для нанотехнологий. Они могут быть использованы в новых наноустройствах для микроэлектроники и в производстве лекарственных средств нового поколения [18].


Нанопроволока. Нанопроволока - это проволока с диаметром порядка нанометра, изготовленная из металла, полупроводника или диэлектрика. Длина нанопроволок часто может превышать их диаметр в 1000 и более раз. Поэтому нанопроволоки часто называют одномерными структурами, а их чрезвычайно малый диаметр (около 100 размеров атома) даёт возможность проявляться различным квантово-механическим эффектам. Это объясняет, почему нанопроволоки иногда называют «квантовыми проволоками». В лабораториях нанопроволоки чаще всего получают методом эпитаксии, когда кристаллизация вещества происходит только в одном направлении. Например, кремниевую нанопроволоку можно получить методом эпитаксии с помощью золотой наночастицы. Наночастицу золота помещают в атмосферу газа силана, и эта наночастица становится катализатором реакции распада силана на водород и жидкий кремний. Жидкий кремний скатывается с наночастицы и кристаллизуется под ней. Если концентрация силана вокруг наночастицы поддерживается неизменной, то процесс эпитаксии продолжается, и всё новые слои жидкого кремния кристаллизуются на его

уже затвердевших слоях. В результате, нанопроволока из кремния растёт, приподнимая наночастицу золота всё выше и выше. При этом, очевидно, размер наночастицы определяет диаметр нанопроволоки. Уникальные электрические и механические свойства нанопроволок создают предпосылки для их использования в будущих наноэлектронных и наноэлектромеханических приборах, а также в качестве элементов новых композитных материалов и биосенсоров.





Схема получения кремниевой нанопроволоки методом эпитаксии
с помощью золотой наночастицы

Наночастицы отличаются разнообразием форм и размеров, как показано на рисунке:





Наноалмазы. Наноалмазы впервые были получены в СССР. Несмотря на общий интерес и быстрое развитие в мире наноалмазного направления российские ученые, остаются в этой области науки законодателями мод, хотя это и становится все труднее. Промышленный синтез алмазов начался с середины 50-ых годов прошлого века, который осуществлялся путем трансформации графита в камерах, обеспечивающих высокое давление – десятки тысяч атмосфер и температуру – около полутора тысяч градусов. В мире ежегодно производятся сотни тысяч карат таких искусственных алмазов со средним размером от сотен до единиц микрон – так называемые алмазные микропорошки.

В настоящее время, когда инновационные технологии уверенно переходят от микрометровых к нанометровым размерам, потребовались и алмазы соответствующих размеров. Первые наноалмазы были синтезированы в Советском Союзе, промышленное производство которых появилось в конце восьмидесятых годов. Исходным сырьем был избран углерод, входящий в состав взрывчатых веществ. Высокие давление и температура, необходимые для образования структуры алмаза из атомов углерода, достигались в процессе взрыва. Короткое время взрыва определяло малый размер алмазных кристалликов - всего миллиардные доли метра.

До определенного времени работы по взрывному методу синтеза в открытой печати, по понятным причинам, не освещались. Наверное, поэтому способ получения наноалмаза из углерода взрывчатых веществ изобретался в СССР не один раз и независимо разными группами авторов. Позже, в 1988 году эти работы были опубликованы в России и США и широко цитировались. С того времени исследователи прошли большой путь. Оказалось, что детонационные наноалмазы обладают рядом необычных свойств. Исследования последних лет показали, что наноалмазы могут быть успешно использованы для создания нанокомпозиционных материалов, уникальных по своим механическим свойствам покрытий, элементов наноэлектроники, селективных адсорбентов и катализаторов, объектов медико-биологического использования. Применение наноалмазов существенно улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных масел, абразивных инструментов, полимерных композиций, резин и каучуков, систем магнитной записи, позволяет выращивать алмазные пленки на различных подложках.

Со школьной скамьи известно, что и алмаз, и графит состоят из атомов углерода, столь разные свойства этих веществ определяются только взаимным расположением атомов в их кристаллической решетке. Алмазы нанометровых размеров при нагревании при определенных условиях перестраивают свою структуру, образуют вложенные друг в друга углеродные сферы – наноматрешку – углеродную луковку. И эта луковка под действием электронного луча может снова перестроиться в наноалмаз, (т.е. в структуру с решеткой алмаза). А ведь полая углеродная наносфера – это не так давно открытая и такая популярная теперь молекула фуллерена.

Возможность изучать структурные превращения на наноуровне, конечно, привлекательна для ученых, не менее интригующим было и обнаружение наноалмазов в метеоритах. Этого достаточно для объяснения интереса к наноалмазам в фундаментальных исследованиях, но основной интерес к изучению их свойств определяется возможностью использования наноалмазов в промышленности.

           

Схема алмазоподобного нанокластера

Ансамбли. Индивидуальные атомы весьма реакционноспособны и стремятся соединиться в молекулы, или в наночастицы, или в ансамбли наночастиц. Процессы самопроизвольного формирования наночастиц и ансамблей из отдельных атомов и молекул изучаются супрамолекулярной химией и рассматриваются как «самосборка» (самоассоциация, самоорганизация) атомов. Ансамбли могут включать как сами наночастицы, так и стабилизирующие защитные слои. Экспериментальное исследование самосборки часто проводят на примерах наночастиц золота и серебра, а в качестве стабилизаторов обычно используют алкантиолы ввиду высокого сродства этих металлов к серосодержащим функциональным группам.

Синтез металлических наночастиц, защищенных от дальнейшего укрупнения монослоями протекторов, практически важен в связи с проблемой создания новых электронных наноприборов. Наиболее подробно изучены методы получения ансамблей частиц золота, стабилизированных гексантиолом, гександитиолом, додекантиолами и др. Изучается влияние различных факторов, в том числе различных видов облучения (включая лазерное), на форму и размеры наночастиц золота. Интересное сообщение было сделано на Десятом Международном симпозиуме по люминесцентной спектрометрии в Гренаде в июле 2002 года. Авторы изучали регулируемый синтез и люминесцентные свойства наночастиц золота в системе с додецилсульфонатом натрия в качестве стабилизатора. Авторами разработан метод получения коллоидного раствора стабилизированных наночастиц золота в воде со средним диаметром наночастиц 5-14 нм. Рассмотрено применение такого раствора в качестве аналитического реагента для ускоренного анализа белков, состоящих из серосодержащих аминокислотных фрагментов. В этой интересной работе заинтриговывает уже сама идея: давно была известна «серебряная» вода, а теперь появилась и «золотая»! Для разработки практически важных композиционных наноматериалов представляет интерес работа, в которой получена композиция, содержащая наночастицы никеля в эластичной матрице сульфированного цис-1,4-полибутадиенового каучука.

Существует важное различие между самосборкой в неживой и живой природе. Рост кристалла ограничен только наличием исходных компонентов и принципиально не ограничен размером: кристалл может быть и больше, и меньше. Рост живого организма (например, вируса) останавливается по достижении строго определенного размера. Механизм такой остановки — интересная и до конца не разгаданная загадка. С самосборкой тесно связано понятие молекулярного распознавания, когда отдельные фрагменты молекул «распознают» друг друга, благодаря принципу «комплементарности» (взаимному соответствию своих размеров, формы, способности образовывать водородные связи и т.п.).

В живой природе при взаимодействии энзима и субстрата действует принцип молекулярного распознавания, который в зарубежной литературе называют принципом «key-lock» («ключ-замок»). Этот принцип сегодня используется, например, для высокоселективного синтеза всё более сложных молекул и молекулярных ассоциатов, как встречающихся в природе, так и ранее в природе не существовавших. Еще одним примером молекулярного распознавания является образование уже упоминавшихся комплексов типа «хозяин-гость». Эти комплексы устойчивы за счет нескольких типов связи — координационной, если «гость» представляет собой ион металла, или водородной, если «гость» вода.


Использование молекулярного распознавания, принципа «ключ-замок» и комплексов типа «хозяин-гость» открывает возможность управления составом, молекулярным и кристаллическим строением продуктов синтеза, регулирования хода биохимических реакций. Важную роль процессы молекулярного распознавания и принцип комплементарности играют в реакциях, которые осуществляет сама природа. Пример — процесс репликации дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), где распознавание типа аминокислотного фрагмента белковой молекулы приводит к формированию двойной спирали ДНК, лежащему в основе передачи наследственных свойств.



Схема репликации ДНК

1.4. Способы получения наночастиц
Для получения наночастиц применяются как обычные химические синтезы, так и специальные методы. К первым относятся метод «золь-гель», криохимический метод, метод термического разложения или восстановления комплексов металлов в контролируемых уловиях, электрокоррозионный метод, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и другие. К специальным методам относятся получение наночастиц в плазме электрической дуги, получение наночастиц при облучении лазером, ударно-волновой синтез, механический и механо-химический методы измельчения с применением высокоэффективных шаровых мельниц и другие. При любом методе получения наночастиц приходится одновременно решать проблему их стабилизации (сохранения) во избежание самопроизвольного укрупнения. Чаще всего это достигается применением тех или иных химических стабилизаторов. Более подробно о методах получения и стабилизации наночастиц можно прочитать в монографиях [22, 23] и обзорной статье [24].
  Принципиально все методы синтеза наночастиц, как физические так и химические, можно разделить на две большие группы:

  • диспергационные методы, или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца;

  • конденсационные методы, или методы «выращивания» наночастиц из отдельных атомов.

следующая страница >>