Практичне застосування нанотехнологій

Квантовомеханічні розрахунки показують нам, що енергія зв’язку атомів в малих частках менше, ніж у звичайних матеріалах. Крім того, у наночастинок значна частка атомів є поверховою, тобто у них підвищена потенційна енергія. З урахуванням посиленою порівняно з об’ємними матеріалами спінової поляризацією хімічна активність наночастинок дозволяє їм виступати каталізаторами незвичайних процесів і суттєво прискорювати процеси, вже застосовуються в хімічному виробництві. Прийнято наночастічное стан речовини називати високоенергетичним в порівнянні з металами, напівпровідниками в звичайному стані. Високоенергетичне стан зберігається і при компактірованія в великий обсяг, оскільки межі між частинками не зникають (рис. 27).

Рис. 27. Приклад компактірованія наночастинок (Процес, що відбувається при синтезі наноструктурованих матеріалів)
Очевидно, високоенергетичний стан виникне, якщо ми тим або іншим способом будемо подрібнювати великі шматки ідеальних матеріалів. Таким чином, отримання наноструктурних матеріалів з незвичайними властивостями вимагає особливих технологічних прийомів. Треба сказати, нанотехнології мають давнє коріння. Ще в середні століття майстри-склодуви на острові Мурано поблизу Венеції виготовляли люстри з дивно красивим і несхожим на інші світінням. Їх секрет був розгаданий лише 3 роки тому. Виявляється, ці майстри навчилися вводити в скло частинки золота розміром 10-20 нм. Наночастки і створювали ефект ореолу.
Таким чином, перша нанотехнологія, мабуть, грунтувалася на тривалій проковуванні золотих пластин. Застосувати цю технологію до будь-якого матеріалу не вдається. Спочатку тендітні з них будуть розсипатися під молотом, а пластичність пластичних по мірі зростання числа ударів буде знижуватися, і вони стануть розсипатися до того, як блоки ізмельчат до нанорозмірів. Якщо ж проводити нагрів, то ефект подрібнення зникне. Для розробки загальних принципів технології такого роду потрібне ретельне наукове дослідження.
Іншим способом є спосіб рівноканального пресування. Уявімо собі товстостінну трубу, зігнуту під прямим кутом. Якщо з одного боку труби потужним пресом заштовхувати шматок металу, то на вигині станеться складний рух всередині цього шматка, і зерна частково ізмельчат. Раз за разом пропускаючи матеріал через цей канал, ми подрібнюємо зерна і отримуємо матеріал з новими властивостями. Щоб такий матеріал можна було ефективно використовувати, потрібно добре розуміти фізику цього стану, знайти науково обгрунтовані шляхи його збереження при подальшій обробці в ході виготовлення деталей і конструкцій. Отримані з використанням зазначених технологій матеріали застосовуються в літако- і ракетобудуванні, для виготовлення протезів. Не кожен метал можна використовувати для заміни або ремонту кісток людини. Наприклад, золото не шкідливо для організму, але важкий, нетривке і дороге, нікель не іржавіє, але важкий і може викликати захворювання на рак. Титан і хімічно стійок, і легкий, не містить шкідливих домішок, але його звичайні механічні властивості не зовсім гарні для протезів. А ось наноструктурний титан має всі переваги, необхідними для медичного застосування.
Розвиток мікроелектроніки викликало потребу створення технологій, здатних створювати конструкції поатомно. Лазерний пучок випаровує атоми з поверхні звичайних матеріалів, ці атоми осідають на холодну підложку і формують наночастинку заданої структури.

Рис. 28. Результат молекулярно-кінетічекой технології (Квантові нитки і квантові кільця Ge на поверхні Si (111))
Створено цілі виробництва, випускають нанопріборов методом молекулярно-променевої епітаксії. Таким способом створюються мікросхеми, що містять на 1 см2 пластинки кремнію тисячі діодів, транзисторів та інших елементів електронних приладів; гетероструктури, в яких на рівні міжатомних зв’язків об’єднуються напівпровідники різних складів, шари з атомів різних елементів, чого не можна зробити традиційними способами. Йде опрацювання технологій створення квантових точок з декількох атомів, здатних вловлювати електрони з заданим напрямом спина – власного магнітного моменту. Закладаються основи спінтроніки, наукового та технологічного напрямку, який обіцяє дати елементи запам’ятовуючих пристроїв, що містять не 1023 атомів, а всього кілька сотень штук.
Нанонаука, нанотехнології – вже реальність, і застосування здібностей, зусиль людини в цій області діяльності є і буде вельми ефективно. Повертаючись до проблеми біосумісності, зазначимо: наявні наукові результати показують явну аналогію в поведінці наночастинок з біологічними об’єктами:
передбачити заздалегідь, в яку структуру перейде частка, не можна, наносистеми володіють «свободою волі»;
наносистеми здатні до спонтанних перетворенням – типове явище в ембріології;
перехід між станами супроводжується структурними перетвореннями, в результаті яких з’являються нові форми, що не існували раніше;
метастабільний нанокластер простої форми перетворюється на більш складні конфігурації, що є невід’ємною властивістю еволюції.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Кристали: цікаві факти