Перспективы развития нанотехнологии и наноматериаллов

Любая научно-техническая система развивается в соответствии с определенными законами. Знания накапливаются и превращаются в технологии, которые в свою очередь приводят к появлению новых видов производства. Этот процесс также стимулирует развитие науки. Однако из-за разной скорости развития различных компонентов системы, возникают естественные "конфликты", которые могут быть разрешены переходом системы на новый уровень развития. Часто такой переход происходит революционным путем, приводя к изменениям в основных концепциях и моделях, которые используются для объяснения мира. Примером такого революционного перехода является замена классической модели мира, основанной на теории Ньютона, на квантовую картину мира, которая возникла благодаря открытиям Резерфорда и Бора. Этот переход привел к научно-технической революции, известной как "Атомный проект". Следует отметить, что узкоспециализированная научная система и образование сыграли важную роль в достижении колоссальных результатов в материальной жизни. Одной из интересных тем для обсуждения являются гибридные системы на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и графена. Это сочетание открывает широкие возможности для создания наноматериалов с настраиваемыми свойствами и их применения в разработке наноэлектронных устройств и других областях. УНТ могут быть использованы для создания различных композитных материалов, которые могут быть дальше модифицированы. УНТ представляют собой структуры в форме полых цилиндров, состоящих из слоев графита с гексагональной организацией углеродных атомов. Они имеют диаметр от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров и длину, измеряемую десятками микрон

Хотелось бы затронуть тему гибридных систем на основе УНТ. Сочетание углеродных нанотрубок и графена открывает широкие возможности для получения наноматериалов с настраиваемыми свойствами и их применения в разработке элементной базы наноэлектронных устройств и не только. На основе УНТ с учетом дальнейших модернизаций открывается множество композитов на их основе. Дана общая характеристика перспектив развития, а также анализ самого материала и его возможностей.

Углеродные нанотрубки (УНТ) – это протяженные структуры в виде полого цилиндра, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку графитовых слоев с гексагональной организацией углеродных атомов. Диаметр УНТ колеблется от одного до нескольких десятков нанометров, а длина измеряется десятками микрон и постоянно увеличивается по мере усовершенствования технологии их получения. Из-за малых поперечных размеров подобные образования получили название нанотрубок. Концы нанотрубок часто имеют сужения в виде полусферической головки, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. УНТ по своей структуре занимают промежуточное положение между графитом и фуллеренами, но многие их свойства не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллеренами. Это позволяет рассматривать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками [6]. Способы получения: электродуговое распыление графита, абляция графита с помощью лазерного облучения, каталитическое разложение углерода. По своей структуре трубки могут быть однослойными или многослойными.

УНТ были открыты в 1991г. японским ученым С.Иджимой при изучении осадка сажи, образующейся при распылении графита в электрической дуге. УНТ образуются в результате химических превращений углерода при высоких температурах.

Недавно несколько исследований высветили перспективу использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (> 1 мм во всех трех измерениях) полностью углеродных устройств. Лалвани и др. сообщили о новом методе термического сшивания, инициируемом радикалами, для изготовления макроскопических, отдельно стоящих, пористых, полностью углеродных каркасов с использованием одно- и многостенных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти каркасы обладают макро-, микро- и наноструктурированными порами, а пористость может быть подобрана для конкретных применений. Эти трехмерные полностью углеродные каркасы / архитектуры могут быть использованы для изготовления накопителей энергии следующего поколения, суперконденсаторов, полевых эмиссионных транзисторов, высокоэффективного катализа, фотоэлектрических систем, а также биомедицинских устройств и имплантатов.

УНТ могут обладать металлическими или полупроводниковым типом проводимости в зависимости от диаметра и расположения шестиугольных колец вдоль длины трубки. Помимо интересных электронных характеристик они обладают превосходными механическими и тепловыми свойствами [7].

Сто лет назад главная цель науки заключалась в стремлении понять, проанализировать, каким образом устроен окружающий мир. Так, новыми измерительными средствами и приборами можно было, например, измерить углы между гранями кристалла – минерала, определить коэффициент преломления. Затем, благодаря открытию рентгеновского излучения и рентгеновской дифракции, стала «видна» трехмерная структура окружающего нас мира, состоящая из отдельных атомов и молекул.

В середине прошлого столетия, когда появилась возможность манипулировать атомами, молекулами, ученые начали конструировать из них новые вещества. Были созданы искусственные материалы, хорошо известные нам сегодня: полупроводниковые кристаллы кремния, германия, арсенида галлия и другие, диэлектрические кристаллы, в частности лазерные, и даже такие материалы, которые обладают свойствами, не существующими у природных веществ. Большие успехи были достигнуты и в органическом материаловедении – создан синтетический каучук, целый ряд полимеров и других биоорганических объектов. Таким образом, в середине прошлого столетия наряду с основной линией развития науки – анализом, начала формироваться новая линия – линия синтеза, когда человечество руками и разумом ученых начало синтезировать искусственные материалы.

Фактически сегодня мы живем при смене парадигмы развития науки. Стало очевидно, что наши знания о мироустройстве достигли такого уровня, что мы способны исследовать практически все. Мы можем высадиться и погулять по Луне, жить автономно много месяцев в космическом корабле или в подводной лодке подо льдами океана. Мы даже можем найти панацею от многих болезней, но это все потребует огромного количества средств – как материальных, так и интеллектуальных. Главная же проблема заключается в том, что ресурсы ограничены.

Рассмотрим, к примеру, наиболее выдающиеся технологические достижения в твердотельной микроэлектронике – создание метода молекулярных пучков, или метода молекулярнолучевой эпитаксии, основу которого составляет высоковакуумная камера, в которой есть источники атомов. Манипулируя потоками атомов разного сорта, можно «посадить» на кристалл, слой за слоем, контролируемым образом различные атомы и построить нужную полупроводниковую структуру. Аналогичный метод для конструирования тонких органических пленок (метод Лэнгмюра – Блоджетт) известен уже давно. В этом смысле мы видим полную аналогию процессов конструирования органических и неорганических материалов и сближение технологических достижений в неорганике с реалиями природного мира органики.

Создание неорганических наноструктур с квантовыми точками – еще одно важное достижение в неорганическом (полупроводниковом) материаловедении. В основе формирования этих структур лежит принцип самоорганизации, а принцип самоорганизации – это базовый принцип живой природы.

Следует также отметить, что в области машиностроения нанотехнологические разработки широко внедряются в модернизацию групп высокоточных станков путем продления срока службы режущего и обрабатывающего инструмента с помощью специальных покрытий и эмульсий. Методы измерения и позиционирования, созданные с использованием нанотехнологий, обеспечивают адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений поверхности заготовки и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в процессе проектирования.