Природные и искусственные наночастицы

Первая и вторая научно-технические революции

В течение тысячелетий человек использовал в быту и технике макроскопические тела, состоящие из большого числа атомов, будь это каменный топор или авиалайнер. Первая научно-техническая революция - индустриальная, или энергетическая, - условно отсчитывается с получения Дж. Уаттом в 1769 г. основного патента на усовершенствованный паровой двигатель, который привел к резкому увеличению производительности труда во всех видах производства, добыче ископаемых, в сельском хозяйстве и на транспорте. До этого источником энергии была энергия ветра, падающей воды и (очень часто) просто мышечная сила животных и людей.

С началом развития микроэлектроники в 1960-х гг. началась вторая научно-техническая революция - информационная. Автомобили и другие средства пере­движения, станки и приборы оставались макроскопическими телами, так как единицей масштаба служат размеры человеческого тела, но управляющие элементы, устройства для передачи и приема информации становились все сложнее, а составляющие их единицы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления) все миниатюрнее. Эмпирический закон Мура (удвоение плотности чипов каждые полтора-два года) оказался достаточно универсальным и уже 40 лет выполняется в ряде областей, основанных на так называемых «критических» технологиях. Экстраполяция этих результатов на наше время неизбежно приводит электронику от микроструктур к наноструктурам: транзисторы и другие элементы вскоре должны будут состоять из считанного числа атомов.

Третья научно-техническая революция

Появление и развитие нанотехнологии означали начало третьей научно-технической революции, которая на наших глазах постепенно охватывает все области цивилизации: технику, медицину, экологию, освоение космоса и т. п. и, по мнению специалистов, изменит облик мира уже к концу первого - началу второго десятилетия XXI в.

Приставка «нано» означает одну миллиардную, 10^-9. На греческом языке «нано» означает «карлик». Нанометр (10^-9 м), видимо, впервые ввел А. Эйнштейн при рассмотрении размеров молекулы сахара. В низкомолекулярных твердых телах (металлах, ковалентных кристаллах типа алмаза, ионных кристаллах) расстояние между атомами составляет десятые доли нанометра: на отрезке длиной 1 нм уложится несколько атомов. По принятому международному определению наноструктуры могут иметь размеры от 1 до 100 нм хотя бы в одном направлении (сверхтонкие пленки и поверхности), или только в двух (нанонити и нанотрубки), или по всем трем направлениям (кластеры) и в целом содер­жать большое число атомов, но их свойства все равно принципиально отличаются от обычных макроскопических тел.

Наноматериалами называются макроскопические материалы, если элементами их структуры являются наноструктуры, наноразмерные элементы.

Свойства наночастиц изучает нанонаука, находя­щаяся на границе физики, химии, биологии и информатики. Нанотехнология разрабатывает пути получе­ния и использования наноструктур, однако фактически этот международный термин понимается шире, чем русский термин «технология».

Технологией (technology) в англоязычных странах обозначают умение, систему знаний, процессов, средств создания и применения продуктов труда. Само понятие «нанотехнология» было введено в 1974 г. японским исследователем Норио Танигучи примени­тельно к точности обработки деталей.

Природные и искусственные наночастицы

Фактически человек давно использовал микро- и наноструктуры в технике. Это мельчайшие частицы железа и углерода в стали, катализаторы с развитой по­верхностью, мелкие частицы в различных эмульсиях или в композиционных материалах. Итальянские уче­ные выяснили, что знаменитая цветная глазурь на средневековой керамике из города Дерута содержит наночастицы металлов (серебра, меди и др.). Наночастицы металлов определили и красоту средневековых витражей.

Природные наночастицы, в частности, образуют разные функциональные части живых организмов: ДНК, различные белки и пр. На рисунке 1 представлена фотография магнитных наночастиц внутри бакте­рии, эти частицы помогают ей ориентироваться в магнитном поле Земли. Аналогичные магнитные частицы с пока неясной функцией имеются и в мозгу человека.

Вообще, структурные объекты наноразмеров, составляющие части макроскопических тел, являются скорее правилом. Однако нанотехнология впервые объединила все эти разнообразные структуры по размерному принципу, а единый принцип, подход сразу дает иные перспективы для исследования и применения. Достаточно вспомнить кибернетику и синергетику.

До недавнего времени физика и химия изучали два крайних случая — отдельные атомы и молекулы или макроскопические объекты, содержащие большое число частиц. Для привычных нам макроскопических тел действуют статистические законы усреднения их свойств, как действует в демографии большого города статистическое усреднение возраста, роста, образования и других показателей населения. Наноструктуры занимают промежуточное положение между отдельными атомами, свойства которых описываются квантовой механикой, и макроскопическими телами, в которых свойства отдельных атомов усреднены.

Свойства наночастиц

Многие физические законы, справедливые для макрообъектов, для наночастиц нарушаются. Например, несправедливы известные формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении. Вода в нанопорах горных пород не замерзает при температуре -20-30 °С, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше температуры плавления массивных образцов.

В последние годы во многих публикациях приводятся эффектные примеры влияния размеров частиц того или иного вещества на его свойства - электрические, магнитные, оптические. Так, цвет рубинового стекла зависит от содержания и размеров коллоидных (микроскопических) частиц золота. Коллоидные растворы золота могут дать целую гамму цвета - от оранжевого (размер частиц менее 10 нм) и рубинового (10-20 нм) до синего (около 40 нм). В лондонском музее Королевского института хранятся коллоидные растворы золота, которые получены еще М. Фарадеем, впервые связавшим вариации их цвета с размером частиц.

Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частицы. Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика.

Корпускулярно-волновой дуализм позволяет приписать каждой частице определенную длину волны. В частности, это относится к электрону в кристалле, элементарным атомным магнитикам и пр. Их поведе­ние описывается волновыми характеристиками. Тепловые колебания атомов кристалла являются коллективным процессом: отдельные атомы колеблются не независимо, а участвуют в упругих тепловых колебаниях разной частоты, охватывающих весь кристалл. Этим волнам сопоставляют своеобразную частицу - фонон - квант энергии упругих колебаний, по аналогии с фотоном - квантом энергии электромагнитных колебаний. Размеры макроскопических тел на много порядков больше этих длин волн. Соответствующая же частице длина волны может «не уместиться» на наночастице.

Общая причина отличия свойств наносистем от свойств макроскопических систем - это сопоставимость их размеров с длиной волн, определяющих эти свойства. Поэтому наночастички железа при комнатной температуре ведут себя не как ферромагнетики, а как парамагнетики.

Наконец, еще одна особенность наноструктур, важ­ная для электроники, - вместе с уменьшением размеров системы уменьшается время протекания в ней разнообразных процессов, т. е. увеличивается быстродействие.

Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.

Особенно важным для медицины и биологии явля­ется то, что наноразмер - один из основных масштабов живого организма. Это позволяет ставить задачу целе­направленного внедрения наноструктур в живой организм (в том числе человека), например, с целью очистки кровеносных сосудов или локального введения лекарств. Одновременно появляется уже реализуемая сейчас возможность сочетания электронных и микро- механических устройств с «живыми» наноструктурами, например для создания нанороботов (см. гл. 8) или решения задач наноэлектроники (см. гл. 6).