Нанотехнологии: настоящее и будущее

Можно сделать незагрязняющейся и одежду, обработав ее раствором с наночастицами диоксида кремния. После обработки этим составом жир, мороженое или пролитое по неосторожности кофе не смогут оставить пятен на платье, рубашке или костюме.

И это только три примера удивительных свойств частиц из наномира.

Одежда, сшитая из наноткани, созданной в Англии, вырабатывает электричество. Оно возникает при трении нановолокон друг о друга и может быть использовано, например, для обогрева

Рождение невидимок

Но как получить наночастицы, как их изготовить? Ученые придумали ряд способов. И хотя они разные, их можно свести к трем основным.

Первый способ заключается, говоря упрощенно, в том, что исходные материалы измельчают подобно тому, как зерно перемалывают в муку. Образовавшаяся «наномука» и есть масса наночастиц. Это наиболее простой способ. У него есть научное название – диспергационный метод.

Но дробить вещество можно не только механически. Российские нанотехнологи предложили другой способ измельчения: мощным электрическим разрядом, электрическим импульсом, как говорят физики. Для этого тонкая металлическая проволока закрепляется между двумя электродами. На них подается электрический ток. Проволока взрывается и превращается во множество наночастиц.

В этом аппарате наночастицы получаются при помощи электровзрывов:

1 – камера, заполненная гелием; 2 – электроды; 3 – проволока

Третий способ называется конденсационным. И это очень точное название. Слово «конденсация» в переводе с латинского означает «уплотнение» или «сгущение». Как конденсирует, сгущается водяной пар, превращаясь в воду, знает каждый. Если подержать холодное стекло над кипящей водой, на нем появятся мелкие капельки. Вода в результате конденсации пара распалась на множество маленьких частиц.

Подобным же образом можно получить и наночастицы. Для этого исходное вещество сначала нагревают, расплавляют и, наконец, испаряют. Затем этот пар резко охлаждают. Он конденсируется и превращается в наночастицы, подобно тому как превращается в капельки сгустившийся водяной пар.

Правда, состояние образовавшихся наночастиц неустойчиво. Если не принять мер, не законсервировать их, то они начнут слипаться и в конце концов превратятся в прежний сплошной материал.

Надо сказать, что то же самое может произойти и с наночастицами, полученными механическим и электрическим способами. Как только рождение наночастиц заканчивается, равновесие самопроизвольно нарушается, они начинают срастаться, укрупняться, и материал возвращается в свой первоначальный вид.

Впрочем, способ борьбы с этим явлением существует, и его применяют на практике. Состоит он в том, что в массу образовавшихся наночастиц добавляют так называемый стабилизатор, например раствор белков, молекулы которых покрывают поверхность наночастиц и тем самым препятствуют их укрупнению. А изменяя состав стабилизатора, можно получать наночастицы требуемого размера.

Американцы изобрели еще один способ получения наночастиц, можно сказать, экзотический: с помощью микроорганизмов, живущих на листьях фигового дерева, или инжира. Нанотехнологи поместили эти микробы в специальный раствор. Живя в нем, бактерии создавали наночастицы. Найдет ли этот диковинный метод широкое применение, пока не ясно.

Открытие фуллеренов

Издавна были известны два вида углерода – графит и алмаз. Первый состоит из плоских слоев, лежащих один на другом, как карты в колоде. В каждом слое связи между атомами очень прочны, но сами слои соединены довольно слабо, легко сдвигаются и ломаются.

Вот почему графит так широко используется для изготовления карандашей. При трении о бумагу графит на кончике карандаша отслаивается и оставляет на бумаге след в виде надписей или рисунков. По той же причине графит иногда применяют в качестве смазки трущихся частей машин и механизмов. Иное дело алмаз – самое твердое и самое прочное вещество в природе. Его атомы группируются так, что образуется необычайно крепкая кристаллическая решетка.

Когда в 1985 году стало известно, что группе химиков (американцам Ричарду Смолли, Роберту Керлу и англичанину Гарольду Крото) удалось открыть новую разновидность углерода, это стало настоящей сенсацией. Некоторые ученые даже отказывались верить удивительному сообщению, считая, что произошла какая-то ошибка. Однако повторные исследования других ученых подтвердили открытие, и десять лет спустя Смолли, Крото и Керл были удостоены Нобелевской премии.

Молекула этой ранее неизвестной разновидности углерода имела кристаллическую решетку, состоящую из 60 атомов. По виду молекула сильно отличалась от известных и напоминала футбольный мяч, сшитый из многогранных лоскутков кожи.

Ричард Смолли

Роберт Керл

Гарольд Крото

Новый вид графита был назван фуллереном в честь архитектора Ричарда Фуллера, который первым спроектировал и построил купол здания, похожий по своей конструкции на молекулу вещества, открытого нобелевскими лауреатами.

Для нанотехнологий открытие ученых-химиков имело огромное значение. Фуллерены – это наночастицы, обладающие некоторыми чертами графита и алмаза, но имеющие и свои, очень ценные, особенности.

Стали известны фуллерены не только шарообразные, но и в форме дыни, построенные из 70–80 атомов. Из веществ, содержащих фуллерены, нанотехнологи научились изготавливать полимеры, очень прочные пленки. Кристаллы (фуллериты) нашли применение в электронике, в компьютерах.

А вскоре были открыты еще более удивительные наночастицы углерода, родственники фуллеренов. Произошло это в 1991 году. Исследуя сажу, которая появлялась после электродугового разряда на электроде, японский ученый Сумио Ииджима увидел незнакомые частицы в виде трубок с закругленными концами и сетчатыми стенками.

Фуллерены удивительно похожи на футбольный мяч

Это были углеродные нанотрубки, диаметром всего около одного нанометра (то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса) и длиной несколько сотых миллиметра. Оказалось, что они бывают однослойными и многослойными, как бы вставленными одна в другую, состоят из нескольких миллионов атомов и обладают просто фантастическими свойствами.

Во-первых, поражает их прочность. Они раз в сто прочнее самой лучшей стали, но при этом гибкие и намного легче. На нити из нанотрубок можно подвесить автобус вместе со всеми пассажирами. Было также подсчитано, что трос из нанотрубок, опущенный на Землю из стратосферы с высоты 15 километров, не разорвется от собственного веса, что непременно случилось бы, будь этот трос сделан из любого иного материала. Считается, что нанотрубки – рекордсмены прочности и что прочнее материала создать просто невозможно.

Японский ученый Сумио Ииджима, открывший углеродные нанотрубки

Нанотрубки могут быть не только отличными проводниками электричества, но и полупроводниками, а значит, просто бесценными материалами в электронике.

Конец ознакомительного фрагмента.