Нанотехнологии и наноматериалы в прошлом, настоящем и будущем

НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ SCIENTIFIC REVIEWS 10 International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010 © Scientific Technical Centre «TATA», 2010

 НАНОСТРУКТУРЫ

NANOSTRUCTURES

Статья  поступила в редакцию 21.06.10. Ред. рег. № 820 The article has entered in publishing office 21.06.10 . Ed. reg. No. 820

УДК 54.01

НАНОТЕХНОЛОГИИ  И НАНОМАТЕРИАЛЫ В ПРОШЛОМ, НАСТОЯЩЕМ  И БУДУЩЕМ 

Ю.Д. Третьяков 

Факультет наук о материалах, химический факультет, Московский государственный  университет им. М.В.Ломоносова 119992, Москва, Ленинские горы, д. 1

Тел. (495) 939-2074, факс (495) 939-0998, yudt@inorg.chem.msu.ru

Заключение  совета рецензентов: 25.06.10 Заключение совета экспертов: 27.06.10 Принято к публикации: 30.065.10

В обзоре кратко рассмотрена  предыстория возникновения нанотехнологий и предложены наиболее вероятные  направ-ления их равития в России, основанные на анализе текущей ситуации.

Ключевые  слова: нанотехнология, наноматериалы, социальные аспекты, дорожные карты.

 

 

После распада СССР и последовавших  за ним мучительных поисков элементарного  физического выживания научное  сообщество нашей страны поте-ряло целое десятилетие для интенсивной  творческой активности. Разумеется, это  касалось не только раз-вития нанотехнологий и наноматериалов, но прежде всего  именно их, поскольку визуализация и контро-лируемый синтез нанопродуктов  требовали крайне дорогостоящего оборудования, которым отечествен-ные исследователи  не располагали тогда, а многие не располагают и поныне.

Справедливости ради следует  сказать, что ини-циатором процессов, породивших нанобум за рубе-жом, был  не Р.Фейнман, хорошо известный лишь среди ученых, а Э.Дрекслер, автор  скандально зна-менитой книги «Машины  созидания: наступление нанотехнологической  эпохи», опубликованной в 1986 г. В ней  были показаны грандиозные перспек-тивы развития наноиндустрии и, вместе с  тем, вы-двинута идея так называемой «серой слизи» (gray goo), смертельно напугавшая общество [1, 2].

И хотя позже (2004 г.) Э.Дрекслер отказался от модели нанороботов, способных  воспроизводить самих себя, именно он и его многочисленные после-дователи ответственны за то, что сейчас в  мире су-ществуют два принципиально  различных подхода к нанотехнологиям. Один, связанный с деятельностью  промышленных корпораций, университетских  и на-циональных лабораторий, базируется на новейших достижениях химии, физики, биологии, материало-ведения и ведет  к грандиозному технологическому прорыву. 11

Другой подход основан  на представлениях науч-ной фантастики о возможностях революционизиро-вать человеческие способности благодаря  развитию нанотехнологий как на благо, так и во вред всем нам. Естественно, что последний подход оказал заметное влияние на большинство людей, не имеющих естест-венно-научного или  технического образования. И все  же следует признать, что именно амбициозные идеи Э.Дрекслера о  перспективности молекулярной инду-стрии, основанной на процессах механической сбор-ки наноструктур с уникальными  свойствами, расти-ражированные его  многочисленными последовате-лями, привлекли внимание как бизнеса, так и влиятельных конгрессменов  и советников президен-та США к  нанотехнологиям и привели в  конечном счете к появлению в 2000 г. Национальной нанотех-нологической инициативы.

Анализ текущего состояния  нанотехнологии по-зволяет выделить ряд важнейших направлений, свя-занных как с исследовательской деятельностью  в раз-личных областях науки, так  и с разработкой конкрет-ных  устройств, среди которых ведущее  положение занимают задачи разработки наноэлектромеханиче-ских систем (НЭМС) и систем нанопозиционирова-ния, развития нано- и молекулярной электроники, нанофотоники, создания функциональных наномате-риалов и нанокомпозитов, а также эффективных  ката-лизаторов нового поколения.

Особое место в дальнейшем развитии нанонауки отводится нанобиотехнологиям, что в первую оче-редь связано  с необходимостью решения проблем  старения биологических систем и  острыми потреб-ностями современной  медицины в неинвазивных методах  комплексной диагностики и лечения  заболе-ваний. Разнообразные направления  развития нано-медицины включают биосенсорную диагностику, наночастицы как средство доставки лекарств и новые формы  лекарственных препаратов, создание сверх-точной лазерной техники, нанороботов, наноинстру-ментов и наноманипуляторов  для медицинских це-лей и многое другое [3].

Важную роль в формировании позитивного имиджа нанотехнологий сыграл и продолжает играть Институт предвидения (Foresight Institute), имеющий поддержку  многих крупных компаний. В России формирующимся аналогом этого института  является Форсайт-центр Высшей школы  экономики (http://foresight.hse.ru/index.html). Глобальная цель Института предвидения состоит  в поиске путей улучшения качества жизни людей, особенно в связи  с развитием молекулярной нанотехнологии. Более конкретно этот Институт призван 

− способствовать пониманию  основных направ-лений и последствий  развития нанотехнологий;

− информировать широкую  общественность и лиц, принимающих  решения, о прогрессе нанотехно-логий.

Foresight Institute организовал превосходную  сис-тему распространения информации, включая Интер-нет. За более  чем 20-летний период своего  существо-вания Foresight Institute несколько  трансформировал-ся, сориентировавшись  в последнее время на нанотехнологическое  сообщество. Около пяти лет назад  (23 мая 2005 г.) Институт предвидения  был переименован, получив название Foresight Nanotech Institute. В связи с этим  институт видит свою новую  миссию в поиске таких путей  развития нанотехноло-гий, которые  будут способствовать решению  гло-бальных проблем, включая: 

− создание новых экологически чистых источни-ков энергии;

− улучшение здоровья и  увеличение продолжи-тельности жизни  человека;

− максимальное увеличение продуктивности сельскохозяйственного  производства;

− обеспечение потребностей человека в чистых воде и воздухе;

− прогресс в освоении космоса;

− разработку и массовое применение новых ин-формационных технологий.

Учитывая опыт прошлого, можно утверждать, что существует лишь немного примеров удачного про-гноза  технологического развития; нередко  ошибоч-ными являются даже краткосрочные  прогнозы, не говоря уже о долгосрочных, и, наконец, иногда спра-ведливыми оказываются  самые фантастические про-гнозы. Все  эти соображения еще в большей  степени касаются прогнозов будущего долгосрочного разви-тия нанотехнологий, поскольку последние, как уже  отмечалось, характеризуются чрезвычайно  высокой наукоемкостью и междисциплинарностью.

Тем не менее, можно утверждать, что если удаст-ся реализовать программу  фундаментальных и ори-ентированных фундаментальных исследований в  области наноматериалов [4], то к 2030 г., а возможно, и раньше, удастся  решить многие энергетические проблемы, например:

− разработать высокоэффективные  альтернатив-ные источники энергии, включая солнечные батареи, водородные двигатели, и благодаря этому  сущест-венно (в 2-3 раза) снизить потребление  нефти и газа;

− создать двигатели внутреннего  сгорания с КПД, превышающим 70%, благодаря  использованию вы-сокотемпературных  композитов на основе боридов и карбидов циркония, гафния и тантала;

− существенно (в 2-3 раза) повысить продолжи-тельность эксплуатации атомных  станций путем улучшения качества материалов, используемых для постройки  ядерных реакторов и для иммобилизации  ядерных отходов;

− создать системы генерирования, аккумулирова-ния и транспортировки  энергии, ключевым элемен-том которых  должны стать наноструктурированные  материалы на основе высокотемпературных  сверх-проводников;

− разработать достаточно дешевые биодегради-руемые полимеры массового назначения; 12

− создать эффективные системы экономии быто-вой энергии.

Все это позволит почти  вдвое снизить газовую эмиссию  и отодвинуть угрозу глобального  потепле-ния на планете.

Улучшение качества и продолжительности жизни в пределах, близких к биологическим, будет достигнуто, если удастся

− разработать и внедрить кардиостимуляторы с несменяемыми на протяжении всей жизни пациента автономными источниками энергии;

− создать биосовместимые и биорезорбируемые имплантаты, не уступающие по своим свойствам природной  костной ткани;

− разработать и внедрить высокоэффективные методы доставки лекарств к органам, пораженным злокачественными опухолями, с использованием магнитных  наночастиц и квантовых точек;

− создать многофункциональные  наноматериалы, предназначенные для  эффективной медицинской диагностики;

− разработать и внедрить биосенсоры на основе так называемых «умных» материалов с нелинейными  магнитными, оптическими и электрическими пара-метрами.

Существенное  увеличение продуктивности сельскохозяйственного  производства станет воз-можным благодаря

− разработке массового  производства неоргани-ческих удобрений  и микроудобрений пролонгиро-ванного  действия на основе биодеградируемых по-лимерных контейнеров;

− разработке эффективных  средств обессолива-ния и структурирования почв с применением мем-бранных  технологий;

− созданию новых поколений  пестицидов − ин-сектицидов, гербицидов и фунгицидов на основе гибридных  наноматериалов.

Потребности человечества в пресной воде и чистом воздухе будут удовлетворены, если удастся внедрить разрабатываемые в настоящее время фото-катализаторы на основе наноструктурированных металлооксидов (например, TiО2, ZnO, CeО2 и др.), позволяющие

− эффективно осуществлять процессы разложения органических примесей в воде и убивающие бактерии, а  также обладающие эффектом сверхгидрофобности, используемым для самоочищения различных  поверх-ностей (тканей, зданий, автомобилей  и т.д.);

− широко использовать создаваемые  сейчас ката-лизаторы процессов окисления  продуктов неполного сгорания топлива (в первую очередь CО) на основе мезопористых оксидных структур, содержащих на-нокластеры платины и других каталитически  актив-ных нанообъектов;

− внедрить мембранные технологии, основанные на использовании полимерных, керамических и ме-таллических наноструктурированных  мембран;

− полностью отказаться от традиционных тепло-вых электростанций в пользу атомных станций и (или) возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, вода).

Существенный  прогресс в освоении космоса также тесно связан с развитием нанотехнологий и наноматериалов, активное использование которых позволит

− завершить создание полноценной  и постоянно функционирующей  системы ГЛОНАСС двойного назначения;

− создать глобальную систему  спутников для по-лучения информации о природных и техногенных  явлениях, происходящих в различных  точках земного шара с целью предсказания и предотвращения чрез-вычайных ситуаций (землетрясений, пожаров, тайфу-нов) и  получения достоверных метеопрогнозов;

− разработать высокоэффективные  процессы по-лучения водорода;

− создать управляемые  мини-роботами космиче-ские корабли  весом, не превышающим нескольких килограммов, для изучения и освоения Солнечной  системы.

Разработка и  массовое применение новых ин-формационных технологий требует создания

− новых поколений полупроводниковых  уст-ройств, основанных на конвергенции кремниевых и химически сложных  наноструктурированных полу-проводников (типа GaAs) и применении новых барь-ерных  материалов на основе гетероструктур, вклю-чающих HfО2, TiN и NiSi2;

− ярких светоизлучающих  при длине волны ~ 200 нм устройств  на основе широкозонных полу-проводников  типа h-BN;

− прозрачных тонкопленочных транзисторов для оптоэлектроники  на основе металлооксидов;

− нелинейно-оптических устройств  на основе ниобатов и танталатов лития, предназначенных для преобразования световых частот;

− оптических систем на основе фотонных и кол-лоидных кристаллов с периодическим распределени-ем квантовых точек;

− систем магнитной записи (>10 Тб на 1 кв. дюйм) с использованием наногранулированных маг-нитных композитов и мультиферроиков, а также не содержащих диспрозия анизотропных магнитных материалов с рекордно высокой магнитной энергией;

− полевых транзисторов на основе одностенных углеродных нанотрубок;

− наноэлектромеханических  систем, обладающих исключительно низким энергопотреблением, сверх-высокой  чувствительностью и предназначенных  для развития электроники и сенсорики.

В попытке прогнозировать развитие любой слож-ной системы, включая развитие нанотехнологий и  наноматериалов, следует учесть, что  в последней трети 20 века в сфере  прогнозирования произошла 13

подлинная революция, предопределившая ограни-ченную достоверность любых  прогнозов, особенно долгосрочных. Она  была связана в первую очередь  с развитием нелинейной динамики (синергетики). В 1963 г. американский метеоролог Э.Лоренц открыл явление динамического  хаоса, странные аттракторы и главное  – горизонт прогноза [5].

Горизонтом прогноза называют время, за кото-рое информация о состоянии детерминированной системы (в которой будущее однозначно определя-ется начальным состоянием) утрачивается, как бы ни была мала погрешность в определении начального состояния. Горизонт прогноза для состояния атмо-сферы составляет около трех недель. В это характер-ное время мы не можем получить достоверный про-гноз погоды, сколько бы метеостанций ни размести-ли на Земле и какими бы мощными компьютерами ни пользовались. (Суперкомпьютеры в этих задачах решают, к сожалению, очень немногое.)