Г. Т. Черненко
Нанотехнологии: настоящее и будущее
Химическое соединение цинка с кислородом, оксид цинка, отличается тем, что его наночастицы способны поглощать различные виды электромагнитного излучения: радиочастотное, микроволновое и др. Стекла солнечных очков с наночастицами оксида цинка надежно защищают от ультрафиолетовых лучей. А одежда, изготовленная из материалов с теми же частицами, не только послужит преградой для ультрафиолета, но и защитит от перегрева.
Уникальными свойствами обладают и наночастицы диоксида кремния (химического соединения кремния с кислородом). Достаточно покрыть, например, стену этим веществом, и она становится самоочищающейся: грязь к ней уже не пристает.
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.
