Нанофізика

НАНОФІЗИКА І НАНОТЕХНОЛОГІЇ

Кажуть, що нанотехнології - це наше майбутнє. Насправді користуємося ми ними давно, просто не знаємо, що вони «нано». Більш того, нанотехнології застосовували вже три тисячі років тому. У статті розповідається про те, як майстри і вчені різних часів і і народів маніпулювали нанооб'єктами, ще не розуміючи, що роблять саме це. І якщо вже їхні технології заслуговують модною приставки «нано», то сучасним хімікам тим більше не варто упускати цю можливість.

Засновник нанотехнологій - знаменитий американський фізик і лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман. Він досить докладно розглянув наслідки безмежної мініатюризації з позицій теоретичної фізики в своєму відому виступі перед Американським фізичним суспільством в грудні 1959 року. Щоправда термін «нанотехнології» був введений пізніше, а широке розповсюдження отримав тільки в останні роки.

Однак той факт, що дрібні частинки різних речовин володіють іншими властивостями, ніж та ж речовина з більш великими розмірами частинок, був відомий давно. Люди займалися нанотехнологіями і не здогадувалися про це. Звичайно, не можна говорити про широке і усвідомлене використання таких технологій, оскільки в багатьох випадках секрет виробництва просто передавали з покоління в покоління, не вдаючись у причини унікальних властивостей матеріалів.

Протягом останнього десятиріччя слово „нанотехнології” міцно закріпилося у суспільній свідомості, ставши свого роду синонімом усього передового, сучасного, новітнього. Не гребують ним користуватися навіть у рекламі, компанії - виробники від електронної техніки до косметики. Але наскільки висока обізнаність нашого суспільства із нанотехнологіями? Як показало, проведе особисто, міні-соціологічне дослідження – уявлення більшості про нанотехнології обмежуються тільки мікросхемами (чіпами) та сферою електроніки. Однак, реалії застосування нанотехнологій сьогодні значно

масштабніші. Загалом, нанотехнологіями прийнято називати міждисциплінарну область фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності    фізичних   і  хімічних  систем

протяжністю (всього!) порядка декількох  нанометрів або часток нанометра. Тобто просторі, який вміщується у одній мільярдній частинці метра (нанометр – 10-9 метра), - світі атомів та молекул. Вузьке значення цього терміну прив'язує нанотехнології до розробки матеріалів, приладів і інших механічних і немеханічних пристроїв, в яких застосовуються закономірності існування наносвіту.

Iз історії появи та розвитку нанотехнологій

         Вперше у науковий обіг слово “нанотехнології” було введено японським фізиком Норіо Танігучі у 1974 році, яким він запропонував називати механізми, розміром менші за один мікрон. Ще раніше, у 1932 році завдяки німецьким фізикам Максу Кнолл та Ернсту Руска, які створили перший електронний мікроскоп, людина отримала можливість досліджувати нанооб’єкти. А вже із 1986 року нанотехнології стали відомими широкому загалові, після . публікації книги американського футуролога Ерка Дрекслера, в якій пророкувався активний розвиток нанотехнологій, в тому числі нанороботів.

 Трохи статистики

Фахівці наводять наступні дані щодо розвитку ринку нанотехнологій. Близько третини всіх світових інвестицій у цій галузі припадає на частку США. Інші провідні гравці на цьому полі — Європейський Союз (приблизно 15%) і Японія (20%). Дослідження в сфері нанотехнологій активно ведуться також у Росії, Україні (як не дивно), Австралії, Канаді, Китаї, Південній Кореї, Ізраїлі, Сінгапурі і Тайваню. Якщо в 2000 році сумарні витрати країн світу на подібні дослідження становили близько 800 млн. доларів, то в 2001 році вони збільшилися вдвічі. За прогнозами експертів, розвиток нанотехнологій через 10—15 років дозволить створити нову галузь економіки з обігом у 15 млрд. доларів і близько 2 млн. робочих місць.

 Сфери застосування нанотехнологій

         Слід ще раз підкреслити, що нанотехнології є галузь міждисциплінарна. Позатак, сфери їх застосування пов'язані із такими науками як фізика, хімія, біологія та охоплюють такі різнорідні прикладні галузі як: косметику, автомобільні запчастини, медикаменти, упаковку їжі, спортивну екіпіровку, електроніку і т. ін. Крім того, активно досліджується можливість використання нанотехнологій у військовій промисловості, сільському господарстві, ведеться робота по можливому їх застосуванню для зменшення рівня різного роду забруднення довкілля.

Спеціалісти виділяють чотири основні напрямки розвитку нанотехнологій:

• виготовлення електронних схем;

• маніпуляція з атомами та молекулами (наприклад, атомно-силова мікроскопія);

• розробка наномашин, нанороботів;

• отримання нанокристалів та наноструктурних матеріалів.

         В принципі, кожен із цих напрямків заслуговує окремого розгляду. Однак робити це у одній статті просто не доцільно, зважаючи на кількість інформації та її «новизну». Тому, спробуємо сфокусувати увагу на окремих нановинаходах, які мають унікальне значення.

         Серед таких «проривних» нанорозробок, на мою думку, особливо виділяються вуглецеві нанотрубки. Це протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і довжиною до кількох сантиметрів, що складаються із однієї чи кількох згорнутих у трубку гексагональних графітових площин (графенів) та закінчуються зазвичай напівсферичною головкою. Їм притаманні незвичайні властивостями, такі, як неймовірна міцність і здатність проводити тепло і електрику, завдяки чому карбонові нанотрубки стають ідеальними для поліпшення якості буквально будь-чого:

• матеріали: надміцні нитки, композитні матеріали, нановаги;

• мікроелектроніка: транзистори, нанодроти, паливні елементи;

• капіляри: капсули для активних молекул, зберігання металів и газів, нанопіпетки;

• оптика: дисплеї, світлодіоди;

• косметика: різноманітні засоби, що містять активні наночастинки.

 А, одностінні нанотрубки (індивідуальні, в невеликих збірках чи в мережах), крім того, можуть слугувати мініатюрними датчиками для виявлення молекул в газовому середовищі чи у розчинах з ультрависокою чутливістю. Такі нанодатчики можуть бути використані для моніторинга навколишнього середовища, у військових, медичних, біотехнологічних цілях. Підкреслю, що нанотрубки, лише окремий приклад, із великої кількості інших наносполук, які сьогодні знайшли широке застосування в практично усіх сферах виробництва.