«Нано» в материаловедении. Инженер Иван Комаров о том, как родились нанотехнологии, почему трудно создать «лес» из нанотрубок и можно ли выстроить новый материал из отдельных атомов

Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Нанотехнологии — это способы манипуляции с материалами, хотя бы один из размеров которых меньше 100 нанометров. Такая граница объясняется тем, что при уменьшении размеров до 100 нанометров и менее у материалов зачастую появляются новые свойства за счет увеличения влияния сил межмолекулярных взаимодействий и вандерваальсовых сил — относительно гравитационных сил, оказывающих значительное влияние в макромире, а также за счет увеличения доли атомов на поверхности нанообъектов относительно доли атомов в объеме объекта, особенно для частиц размером менее 10 нанометров.

Нанотехнологии до появления термина

В том или ином виде люди использовали полезные свойства наночастиц со времен Древнего Египта, где еще в XIV–XIII веках до нашей эры их применяли для придания цвета стеклу [Brill, R.H., Cahill, N.D.: A red opaque glass from Sardis and some thoughts on red opaques in general. J. Glass Stud. 30, 16–27 (1988)]. Например, кубок Ликурга (примерно IV век нашей эры), где за счет присутствия наноразмерных кластеров серебра и золота в соотношении 7:3 с размерами частиц 50–100 нанометров цвет чаши меняется от желто-зеленого при внешнем освещении до рубинового при освещении изнутри [Freestone, I., Meeks, N., Sax, M., Higgitt, C.: The Lycurgus Cup—a Roman nanotechnology. Gold Bull. 40(4), 270–277 (2007)].

Кубок Ликурга при разном освещении // Wikipedia Commons

Позже люди также работали с наночастицами, и наиболее распространенным применением были краски, использовавшиеся для росписей или создания витражей; основным преимуществом таких красок является их долговечность. По факту коллоидная химия, которая начала развиваться еще в середине XIX века, — это тоже работа с наноматериалами: коллоидный раствор подразумевает, что в нем содержатся нано- или крайне близкие к ним по размерам частицы.

В XX веке манипуляция с веществами, в том числе и на наноуровне, осуществлялась подходом top-down: большее разбивали на мелкие части. Значительный толчок работа с нанообъектами получила после знаменитой лекции Ричарда Фейнмана «Там, внизу, еще полно места» в Калифорнийском техническом университете в 1959 году, в которой он обозначил подход top-down к созданию физических объектов.

В 1980-х годах, когда изобрели зондовые микроскопы, люди научились манипулировать с различными кластерами металлов, например группой из сотни атомов. Появилась приборная база, и работы на этом уровне начали называться нанотехнологиями.

Определяя нанотехнологии, важно уточнить, что это работа не с классическими, давно знакомыми материалами, а с новыми. Большой толчок к развитию нанотехнологий дало открытие аллотропных форм углерода — это фуллерены, нанотрубки и графен.

С другой стороны, полупроводниковые гетероструктуры, за которые Жорес Алферов получил Нобелевскую премию, разрабатывались еще до открытия зондовых микроскопов, но они вполне попадают под определение нанотехнологий: это набор пленок толщиной меньше 100 нанометров. Создание гетероструктур — это тоже нанотехнология, если смотреть с позиции сегодняшнего дня.

Проблема повторяемости

Сейчас в магазинах продаются телевизоры с подсветкой на квантовых точках — нанокристаллах, которые светятся под действием тока. Квантовые точки — это пример нанотехнологии, которая наконец-то дошла до коммерциализации. Первые квантовые точки были получены в 1981 году, а широко ими занимались в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Почти 30 лет прошло с первых работ до стабильно работающего коммерческого продукта.

То, что активно разрабатывается сейчас, — сенсоры, прозрачные проводящие покрытия, материалы с памятью формы — начали исследовать еще позже. До коммерческого продукта они дойдут, скорее всего, через 5–10 лет.

Что же мешает быстро усовершенствовать технологию? Когда мы переходим на наноуровень, очень сложно обеспечить повторяемость размеров и формы наноструктур. В определенных случаях это получается хорошо, но не во всех и не всегда. Например, в свое время была идея создать «лес» из вертикально ориентированных нанотрубок, использовать его как холодные катоды и создать плоский дисплей. Пока эта идея не реализована.

Лес из углеродных нанотрубок // Dr. Yongqing Fu, University of Cambridge

Дело в том, что крайне сложно синтезировать две одинаковые нанотрубки, тем более вертикально ориентированные. Невозможно сделать лес, абсолютно одинаковый по высоте. Получается, что в одном случае напряженность поля меньше, в другом — больше. Это ведет к деградации кончика нанотрубки, электроны летят беспорядочно, и нарушается функционирование прибора. Сейчас сделали дисплеи на квантовых точках, потому что их научились получать более-менее повторяемо. Процессоры до сих пор делают на кремнии, потому что пока не получается на наностержнях сделать повторяемость достаточной степени.

Другой вариант решения этой проблемы — создать такую систему, когда микро- и наноразмерные неоднородности нивелируются макроразмерами итогового прибора, но при этом основной эффект идет на наноуровне. В итоге полученная конструкция все равно работает как макроприбор. За счет статистического распределения из нанотрубок или наностержней можно создать сетку. Сетка на достаточно большом размере в десятки микрометров или миллиметры уже может быть однородной, и ее свойства могут повторяться.

Выстраивание материалов из отдельных атомов

В создании материалов есть подход bottom-up — от меньшего к большему. Во многом нанотехнологии изначально виделись как возможность собрать материал поатомно, буквально задать последовательность атомов, которая дала бы определенные свойства. Можно было бы создать материал, который в нужных местах обладает заданными свойствами, а в других местах — другими свойствами, при этом будучи единым, а не собранным из большого числа отдельных структурных элементов.

Можно будет создать композиционный материал, но не по нынешнему определению, где есть два связанных макроматериала, которые дают новые свойства, а композит на уровне отдельных атомов. Это дало бы новые свойства, которых сейчас пока достичь невозможно. Например, можно было бы создать очень малого размера пиксели с минимальным зазором между ними и сделать дисплей сверхвысокого разрешения. Для космических применений можно было бы создать локальные области на материале с высоким сопротивлением радиации. Можно было бы создать искусственную клетку с проницаемыми для заданных веществ областями мембраны. В создании электронных схем ученые уже очень близки к этому пределу и конструируют чипы размером 7 нанометров — это еще не поатомно, но уже близко.

Создание 3D-принтеров — это как раз подход bottom-up, когда из отдельных структурных элементов создается целое. Человечество в итоге придет к созданию некоего ассемблера — устройства, которое из исходного сырья сможет собрать все что угодно.

Технологически это очень сложно. Например, удалось создать надпись IBM из отдельных атомов с помощью зондового микроскопа. Если постараться, можно это сделать даже из разных атомов: одну букву из одних атомов, другую — из других. Но это делается в условиях высокого вакуума и при криогенных температурах — при жидком азоте или гелии. Такие структуры нестабильны, при нагревании до комнатной температуры система развалится.

Чтобы собирать материалы поатомно, надо создать технологию, которая обеспечит возможность не просто получать стабильные структуры, но еще и делать это за вменяемое время. Знаменитую надпись IBM собирали несколько часов. На то, чтобы собрать что-то большое, уйдет неоправданное количество времени.

Моделирование свойств материала

Важный момент для композиционных материалов в целом и в особенности для наноматериалов — это моделирование их свойств. Для классических конструкционных композиционных материалов, которые применяются в самолетостроении, например, до сих пор не существует программ расчета прочности, которые могут полностью и точно рассчитать, как будет вести себя материал. Прочность рассчитывают полуэмпирическими методами, которые в любом случае требуют экспериментального подтверждения. Мы ждем квантовых компьютеров, которые тоже будут порождением нанотехнологий, чтобы это можно было считать.

Будущее наноматериалов

Где могут применяться различные наноразмерные структуры? Скорее всего, в обозримом будущем они выстрелят в области гибкой электроники. Все движется к тому, что многие приборы будут гибкими, в том числе дисплеи. Гораздо удобнее носить с собой тонкий, легкий и небьющийся телефон, который можно свернуть в трубочку. Наноматериалы здесь могут оказаться полезными за счет того, что многие из наноразмерных проводников обладают гибкостью. Эти устройства можно будет сгибать и встраивать, например, в одежду.

Ведутся попытки по созданию биосовместимых и даже биодеградируемых материалов. Сломался смартфон — куда его деть? В идеале — просто выбросить на газон или свалку, а потом на этой свалке вырастет сад. Пока, к сожалению, у нас получается ровно обратное: большинство современных электроприборов одноразовые и неперерабатываемые. Скорее всего, подходы, развиваемые в рамках нанотехнологий, позволят создать биодеградируемые материалы не только для электроники, но и вообще для различных областей промышленности и хозяйства.

В агрокомплексе тоже есть нанотехнологии — направленное выращивание водорослей, которые близки к наноразмерам. В биомедицине совершенствуют таргетную доставку лекарств. Для этого нужны частицы, к которым привязано лекарственное вещество, а чтобы пройти по мелким сосудам, они должны быть наноразмерными. Кроме того, ведется целенаправленная работа с биологическими веществами и биологическими объектами малых размеров.