Нанотехнологии

Видели ли вы когда-нибудь монитор, толщина которого меньше миллиметра? А бумагу, которая  не горит и не промокает? Или одежду, которую невозможно испачкать? Да, да то, что вы сейчас слышите – это не фантастика! Это то, что ожидает нас в недалёком будущем. Такие необычные предметы могут подарить человеку нанотехнологии.

В последнее время очень часто мы слышим слово «нанотехнологии». Но, если спросить первого встречного человека, что это такое, то вряд ли он даст понятный ответ на этот вопрос. И всё-таки большинство из нас всё же имеют представление, что такое нанотехнологии. А вот, если спросить любого учёного, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии, то ответ будет краток: «нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше».

Итак, под термином нанотехнологии следует понимать технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи. Вообще, нанотехнология в переводе с греческого «нанос» — «карлик»; «техно» — искусство; «логос» — смысл, понятие. Нанотехнологии предполагают манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что ничего меньшего быть не может. Они применяют новейшие технологии манипулирования единичными атомами или молекулами (перемещение, перестановки, новые сочетания).

Чтобы понять, насколько малы эти материалы и устройства, давайте представим себе такую ситуацию: вам предлагают выпить стакан воды, который наполнен микроскопическими роботами. Их размеры настолько малы, что разглядеть вам их не представляется возможным. Однако после того как вы их выпьете, они начнут работать над вашим организмом, залечивать раны и наносить своеобразные «заплатки», где нужно. Вот точно также происходит и в нанотехнологиях.

Нанотехнологии обеспечивают возможность создавать и модифицировать объекты, которые включают компоненты с размерами менее ста нанометров, принципиально нового качества. Используются самые разные методы (механические, химические, электрохимические, электрические, биохимические, электроннолучевые, лазерные) для искусственной организации заданной атомарной и молекулярной структуры нанообъектов, для создания микроскопических устройств.

Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от одного до ста нанометров. В основном выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры; наночастицы; нанотрубки и нановолокна; наноструктурированные поверхности и плёнки; нанокристаллы.

Говоря о наночастицах, обычно предполагают, что их размеры от нуля целых одной десятой нанометра до ста нанометров. Если сравнивать их размеры с размерами других материалов, то обратите внимание, размеры большинства атомов расположены в интервале от нуля целых одной десятой до нуля целых двух десятых нанометров, ширина молекулы ДНК примерно 2 нанометра, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нанометров, человеческий волос — 80 000 нанометров. Именно на таких масштабах работают нанотехнологии.

Можно немного коснуться истории нанотехнологий и поговорить об этапах их развития. Итак, первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, предсказал известный физик Ричард Фейнман в 1959 году в своём выступлении.

Он говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать всё, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учёными из АйБиЭм.

Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только видеть отдельные атомы, но и управлять ими, поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами и непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, всё, что угодно: любой предмет, любое вещество. Ну а сам термин «нанотехнологии» ввёл японский физик Норио Танигути в 1974 году.

В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий».

С тех пор нанотехногии получили широкую общественную огласку. В 1998 году голландский физик Сеез Деккер нашёл практическое применение нанообъектам. Он создал транзистор на основе нанотехнологий.

На сегодняшний день нанотехнологии делят на три направления.  Первое направление – это изготовление электронных схем размером до нескольких атомов.

Второе – сборка из отдельных атомов любых веществ и объектов.

И третье – создание наномашин (механизмов размером в несколько атомов).

Уже сегодня нанотехнологии затронули много сфер деятельности людей. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс лучше всего виден уже сейчас. Так, например, нанотехнологии используют при производстве жёстких дисков персональных компьютеров, теннисных мячей с длительным сроком службы, а также высокопрочных и одновременно лёгких теннисных ракеток, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, которые обеспечивают их самоочистку.

Даже в быту есть много незаметных, но очень важных веществ, о присутствии которых мы даже и не подозреваем! Давайте рассмотрим самые яркие примеры. Современные телефоны. Благодаря использованию нанотехнологий появилась возможность оснастить смартфоны, айфоны и другие устройства специальными датчиками, которые выступают в роли защиты. Даже при разбитом стекле микрочипы не перестают работать.

Зубная паста. Ранее никто и не задумывался о том, почему очищающее средство для зубов бывает разным. А объясняется это наличием определённых наночастиц. Например, гидроксиапатит кальция, который незаметен невооружённым глазом, помогает восстановить разрушенную эмаль и защитить зубы от кариеса.

Лейкопластырь. Он имеет нанослой серебра, который способствует быстрому заживлению и обладает антибактериальными свойствами.

Краска для автомобилей. Современные автомобильные краски, благодаря наночастицам, способны перекрывать неглубокие царапины и другие полости, которые образуются на кузове. В их состав входят микроскопические шарики, которые и обеспечивают такой эффект.

Московские нанотехнологи разработали телевизор, который можно свернуть в рулон. Этот телевизор представляет собой органический светодиод, а его толщина всего лишь несколько миллиметров. На сегодняшний день у него имеется один серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро портится.

Если смотреть более глобально, то нанотехнологии не оставили без внимания и солнечную энергетику. Вы уже знаете, что солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях. Теперь же солнечные батареи нового поколения – это дешёвая полимерная плёнка, которую обрабатывают на слегка переделанных машинах для производства фотоплёнки. Новые солнечные батареи обещают обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционными батареями, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не будут требовать прямого попадания солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже.

Если говорить о перспективах нанотехнологий, то по прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы. Давайте немного пофантазируем, представим мир недалёкого будущего.

Наноматериалы будут широко использоваться в технике и промышленности, они будут защищать от грязи, коррозии, различных повреждений. Появятся молекулярные роботы-врачи, которые будут «жить» внутри человеческого организма и устранять все возникающие повреждения. Произойдёт замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами – комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путём. Например, из цепочки «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молоко» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва – углекислый газ – молоко».

Произойдёт полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счёт насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, которые будут превращать отходы деятельности человека в исходное сырьё, а во-вторых, за счёт перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Электричеством нас будут обеспечивать солнечные батареи, которые будут встроены в стены и крыши домов. Телевизоры, компьютеры будут компактными в виде стикеров. Нанодатчики помогут в обнаружении любых угроз, от пожара до атаки террористов. Даже одежда будет самоочищающая и умеющая контролировать эмоциональное состояние того, кто её носит.

Однако самое интересное и важное – это то, как повлияет развитие нанотехнологий на жизнь человека и на жизнь общества в целом. Уже понятно, что эти технологии сильно изменят наш мир. Но предвидеть все эти изменения в деталях пока никто не может. И всё же нанотехнологии – это наше настоящее и будущее.