Наноматеріали

Основи нанотехнологій, як вважає значне число експертів, закладені лауреатом Нобелівської премії Р. Фейнманом у 1959 р. в його знаменитій лекції «Там внизу є багато вільного місця» на засіданні американського фізичного товариства. Термін "нанотехнологія" або "нанотехнології" – надалі – був введений професором токійського університету Норіо Танігучи у 1974 р.

Нанотехнології — міждисциплінарні технології, які розроблені для об’єктів розмірами менш як один мікрон і дають змогу проводити дослідження, маніпуляції та обробку речовин у діапазоні розмірів від 0,1 до 100 нанометрів (1 нанометр — одна мільярдна метра).

Наноматеріал - це не один "універсальний" матеріал, це обширний клас безлічі різних матеріалів. Інколи помилково вважають, що наноматеріали - це просто дуже дрібні, "нано" частинки. Насправді, багато наноматеріалів є не окремими частинками, вони можуть бути складними мікрооб'єктами, які наноструктуровані на поверхні або в об'ємі. Такі наноструктури можна розглядати як особливий стан речовини, оскільки властивості матеріалів, утворених за участю структурних елементів нанорозмірів, не ідентичні властивостям звичайної речовини.

Зміни основних характеристик речовин і матеріалів обумовлені не тільки зміною розмірів, але і проявом квантово-механічних ефектів.

Властивості наноматеріалів, як правило, відрізняються від аналогічних матеріалів в масивному стані. Наприклад, у наноматеріалів можна спостерігати зміну магнітних, тепло- і електропровідних властивостей. Для особливо дрібних матеріалів можна відмітити зміну температури плавлення у бік її зменшення.

Для наноматеріалів актуальна проблема їх зберігання і транспортування. Маючи розвинену поверхню, матеріали дуже активні і охоче взаємодіють з навколишнім середовищем, перш за все це стосується металевих наноматеріалів.

Наноматеріали поділяються на 3 основні класи:

тривимірні частинки, що одержують вибухом провідників, плазмовим синтезом, відновленням тонких плівок і т. і.;

двовимірні об'єкти — плівки, що одержують методами молекулярного напластовування, методом іонного напластовування і т. і.;

одновимірні об'єкти — ці об'єкти одержують методом молекулярного напластовування, введенням речовин в циліндрові мікропори і т.д.

Прикладом наноматеріалів є вуглецеві нанотрубки, фулерени та інші.

Вуглецеві нанотрубки (мал. 49) - були відкриті близько 10 років тому. Нова молекулярна форма вуглецю відкрила цілу серію нових і несподіваних фізичних, механічних і хімічних властивостей. Ці унікальні властивості зробили нанотрубки ключовим елементом нанотехнологій.

Мал. 49. Вуглецеві нанотрубки

Нанотрубки можуть використовуватися при виготовленні молекулярних електронних пристроїв, нанотранзисторів і елементів пам'яті. Завдяки унікальним механічним властивостям нанотрубок можна виготовляти вуглецеві композити надзвичайної міцності для автомобільної і аерокосмічної промисловості.

Одним з методів, що використовується для вивчення нанооб'єктів, є скануючо-зондна мікроскопія (СЗМ). За допомогою скануючи-зондного мікроскопа можна не тільки побачити окремі атоми, але також вибірково впливати на них, зокрема, переміщати атоми по поверхні. Ученим вже вдалося створити двовимірні наноструктури на поверхні, використовуючи даний метод. Наприклад, в дослідницькому центрі компанії з дослідження наноматеріалів, послідовно переміщаючи атоми Ксенону на поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти три букви логотипу компанії, використовуючи 35 атомів Ксенону.

У найближчі десять років саме розвиток нанотехнологій та виготовлення нових наноматеріалів стане одним з основних рушіїв стимулювання істотних змін у таких галузях промисловості, як машинобудування, оптоелектроніка, мікроелектроніка, автомобільна промисловість, а також сільське господарство, медицина та екологія.

У розвинутих країнах світу з метою координації науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, здобуття передових позицій на світовому ринку високотехнологічної продукції, а також забезпечення конкурентоспроможності та безпеки країни захист і розвиток найбільш перспективних, пріоритетних, так званих критично важливих технологій, до яких належать нанотехнології та виготовлення нових наноматеріалів, виділяються в окремий напрям. За аналітичними прогнозами інноваційний розвиток і рівень економіки у XXI столітті визначатимуть саме нанотехнології, що викличе істотні зміни в усіх сферах діяльності.

Використання можливостей нанотехнологій у найближчій перспективі сприятиме істотному економічному ефекту в таких базових галузях економіки, як: машинобудування, автомобільна промисловість, електроніка та оптоелектроніка, інформатизація, сільське господарство, охорона здоров’я, охорона навколишнього природного середовища.