Нанотехнології

Що таке нанотехнології?

Нанотехнології (рос. нанотехнологии, англ. nanotechnology, нім. Nanotechnologie), інша назва Наномолекулярні технології (від «нано» — К. Ерік Дрекслер, 1977) — у широкому значенні слова прийнято називати міждисциплінарну область фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра (нанометр — це одна мільярдна частка метра або, що те ж саме, одна мільйонна частка міліметра — діаметр людської волосини становить близько 80 тис. нанометрів).

Нанотехнології, нанонауки — це наука і технологія колоїдних систем, це колоїдна хімія, колоїдна фізика, молекулярна біологія, вся мікроелектроніка. Принципова відмінність колоїдних систем, до яких належать: хмари, кров людини, молекули ДНК і білків, транзистори, з яких складаються мікропроцесори, у тому, що поверхня таких частинок або величезних молекул в мільйони разів перевершує обсяг самих частинок. Такі частки посідають проміжне положення між справжніми гомогенними розчинами, сплавами, і звичайними об’єктами макросвіту як-от: стіл, книга, пісок. Поведінка таких систем дуже відрізняється від поведінки істинних розчинів і розплавів і від об’єктів макросвіту завдяки високорозвиненій поверхні. Зазвичай такі ефекти починають відігравати значну роль тоді, коли розмір частинок лежить у діапазоні 1-100 нанометрів; звідси заступлення понять колоїдна фізика, хімія, біологія поняттями нанонауки і нанотехнології, в сенсі розміру об’єктів, про які йдеться.

Вужче значення цього терміна прив’язує нанотехнології до розробки матеріалів, приладів та інших механічних і немеханічних пристроїв, у яких застосовуються подібні закономірності. Нанотехнології мають справу з процесами, які відбуваються у просторових областях нанометрових розмірів. Тобто нанотехнології можна означити як технології, основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями.

Походження

Концепції, які передували нанотехнології, було вперше обговорено 1959 року, фізиком Річардом Фейнманом у його промові There’s Plenty of Room at the Bottom, у якій він змалював можливість синтезу, за допомогою прямого маніпулювання атомами. Термін «нано-технології» вперше використав Норіо Танігучі 1974 року, хоча це не стало широко відомо.

Натхненний поняттями, висловленими Фейнманом, Ерік Дрекслер 1986 року, використав термін «нанотехнологія» у власній книзі Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, у якій запропонував ідею нанорозмірного «збирача», який був-би спроможним, побудувати копію себе й інших елементів довільної складності з атомним контролем. Крім того, 1986 року, Дрекслер був співзасновником The Foresight Institute (Інституту передбачення), задля сприяння підвищенню обізнаності та розуміння нанотехнологічних концепцій та їх наслідків.

Таким чином, поява нанотехнологій у 1980-і роки, насамперед, відбулася завдяки зближенню теоретичної та громадської роботи Дрекслера, який розробив і популяризував концептуальні рамки для нанотехнологій, а також очевидні експериментальні успіхи, які звернули додаткову загальну увагу на перспективи атомного контролю матерії. У 1980-і роки, два великі прориви, викликали зростання нанотехнологій у сучасну епоху.

По-перше, винахід сканувального тунельного мікроскопу 1981 року, який уможливив небачене до того, зорове виокремлення одиничних атомів і зв’язків, а також, успішно використовувався для маніпулювання окремими атомами вже 1989 року. Розробники мікроскопу, Герд Бінніг і Генріх Рорер із дослідницької лабораторії IBM у Цюриху, отримали Нобелівську премію з області фізики 1986 року. Binnig, Quate і Gerber, також, винайшли аналогічний атомно-силовий мікроскоп того-ж року.

По-друге, відкриття 1985 року, фулеренів Гарольдом Крото, Річардом Смоллі і Робертом Карлом, які разом 1996 року, отримали Нобелівську премію з хімії. C60 спочатку, не було віднесено до нанотехнологій; цей термін було використано у подальшому, по відношенню до роботи з відповідними графеновими трубками (так званими, вуглецевими нанотрубками, які іноді називають Bucky трубки), котрі запропоновано, як потенційно можливе застосування, для нанорозмірної електроніки та пристроїв.

На початку 2001-го року, ця область дістала підвищену наукову, політичну та комерційну увагу, що призвело до полеміки і прогресу. Розбіжності виникли з приводу визначень і потенційних наслідків нанотехнологій, приклади яких наведено у доповіді Королівського товариства з нанотехнологій й які було розв’язано у публічних дебатах, між Дрекслером і Смоллі у 2001 і 2003 роках.

Визначення і термінологія

Є думка, що у світі немає на сьогоднішній день стандарту, що таке нанотехнології, або нанопродукти. У Єврокомісії створена спеціальна група, якій дали два роки на те, щоби розробити класифікацію нанопродукції. Серед підходів до визначення поняття «нанотехнології» є наступні:

1. У Технічному комітеті ISO / ТК 229 під нанотехнологіями мається на увазі таке:

• знання та управління процесами, як правило, в масштабі 1 нм, але не виключає масштаб менше 100 нм, в одному або більше вимірах, коли введення в дію розмірного ефекту (явища) приводить до можливості нових застосувань;
• використання властивостей об’єктів і матеріалів у нанометровому масштабі, які відрізняються від властивостей вільних атомів або молекул, а також від об’ємних властивостей речовини, що складається з цих атомів або молекул, для створення досконаліших матеріалів, приладів, систем, що реалізують ці властивості.

2. За угодою, для нанотехнології, приймається масштаб від 1 до 100 нанометрів, відповідно до визначення, використовуваного Національною Нанотехнологічною Ініціативою у США. Нижня межа встановлюється за розміром атомів (водень має найменші атоми, чверть діаметра яких дорівнюють, приблизно, нм).

3. Згідно з «Концепцією розвитку в Російській Федерації робіт в області нанотехнологій на період до 2010 року» (2004 р.), нанотехнологія визначається як сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати й модифікувати об’єкти, котрі містять компоненти з розмірами менше 100 нм, хоча-б в одному вимірі, і у підсумку, отримати принципово нові якості, які дозволяють здійснювати їх впровадження у повноцінно функціональні системи більшого розміру.

Практичний чинник нанотехнологій, має на увазі: виробництво пристроїв та їх компонентів, потрібних для створення, обробки і маніпуляції атомами, молекулами і наночастинками. Ідеться про те, що не обов’язково, об’єкт мусить мати хоча-б один лінійний розмір, менше 100 нм — це можуть бути макрооб’єкти, атомарна структура яких, контрольовано створюється з роздільністю, на рівні окремих атомів, або ж містять у собі, нанооб’єкти. У ширшому сенсі, цей термін охоплює також методи діагностики, характерології та досліджень таких об’єктів. Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки за таких масштабів, звичні макроскопічні технології поводження з матерією, часто непридатні, а мікроскопічні явища, занадто слабкі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул (наприклад, сили Ван-дер-Ваальса), квантові ефекти.

Нанотехнології і, особливо, молекулярна технологія — нові, дуже мало досліджені дисципліни. Основні відкриття, що передбачаються у цій області, поки не зроблено. Тим не менше, проведені дослідження, вже дають практичні результати. Використання у нанотехнології передових наукових досягнень, дозволяє відносити її до високих технологій. Розвиток сучасної електроніки йде шляхом зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва, наближаються до свого природного економічного та технологічного бар’єру, коли розмір пристрою зменшується ненабагато, натомість, економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології — наступний логічний крок розвитку електроніки та інших наукоємних виробництв.

Властивості

Властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей більших об’єктів, що складаються з тих самих атомів і молекул. Наприклад, наночастинки платини, набагато ефективніше очищають автомобільні вихлопи від токсичних забруднювачів, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові та багатошарові графітні циліндри нанометрової товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому, можуть стати заміною мідним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності та принципово нові напівпровідникові й оптоелектронні пристрої. На сучасному етапі, нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовується в автомобіле– й авіабудуванні), задля виготовлення чорнил; для створення одягу, який неможливо забруднити й пожмакати та інше.

Медицина та нанобіотехнології

У даний час (2010-х роках) вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення матеріалів, необхідних при лікуванні опіків і ран; у стоматології; у косметології.

За прогнозами журналу Scientific American вже в найближчому майбутньому з’являться медичні пристрої розміром з поштову марку. Їх достатньо буде накласти на рану. Цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати, і уприсне їх у кров.

Експерти Європейської комісії склали наступний перелік найважливіших на їхню думку розділів нанобіотехнологій на майбутні 15-20 років^[2]:

• прицільне постачання ліків;
• молекулярна візуалізація;
• косметика;
• створення нових лікарських засобів;
• методи діагностики;
• хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів;
• тканинна інженерія;
• харчові технології;
• геноміка і протеоміка;
• молекулярні біосенсори;
• інші розділи.

Електроніка та інформаційні технології

Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки та інформаційних технологій. 1965 року, на одному чипі можна було вмістити лише 30 транзисторів. 1971 року — 2 тис. Нині (на початку 2000 років) один чип містить близько 40 млн транзисторів величиною 130—180 нанометрів, і з’явилися повідомлення, що вдалося створити транзистор розміром 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп’ютерну техніку доступною для більшості споживачів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можна придбати 50 млн транзисторів.

У 1965 році Гордон Мур, фахівець у сфері фізичної хімії, зробив знамените передбачення, яке було названо «Закон Мура». «Закон Мура» проголошує, що число транзисторів на чипі буде подвоюватися кожні 18 місяців. Протягом декількох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп’ютерних чипів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: щоб підтверджувати «Закон Мура», потрібно, щоб транзистор був не більшим 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровідникових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року.

Військове призначення

Військові дослідження у світі ведуться в шести основних сферах: технології створення і протидії «невидимості» (відомі літаки-невидимки, створені на основі технології stealth), енергетичні ресурси, системи (наприклад, які дозволяють автоматично лагодити пошкоджену поверхню танка або літака), що самостійно відновлюються, зв’язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень. Передбачалося, що 2008 року, буде представлено перші бойові наномеханізми.

Екологія

Нанотехнології здатні також, стабілізувати екологічну обстановку. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Крім того, нанотехнології нині використовуються для фільтрації води й інших рідин.

Сільське господарство

Нанотехнології здатні здійснити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи можуть виробляти їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Наприклад, теоретично можливо виробляти молоко прямо з трави, минаючи проміжну ланку — корову.

Ставлення суспільства до нанотехнологій

Розвиток в області нанотехнологій, викликав певний суспільний резонанс. Ставлення суспільства до нанотехнологій вивчалося ВЦВГД та європейської службою «Євробарометр». Ряд дослідників вказують на те, що негативне ставлення до нанотехнології у неспеціалістів може бути пов’язано з релігійністю, а також через побоювання, пов’язані з токсичністю наноматеріалів. Особливо це стосується широко розрекламованого колоїдного срібла, властивості і безпека якого знаходяться під великим питанням.