Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

13.2.3. Общий обзор состояния производства наночастиц

Коммерческое использование любого метода должно быть обосновано экономически. В лабораторных условиях ученым удалось разработать множество интересных и красивых способов синтеза нанопорошков, но очень многие из них не удается довести до промышленного использования из-за сложности или экономических соображений (создание устойчивых рабочих режимов, стоимость исходных веществ и т. п.). Следует особо отметить, что проблема внедрения научно-технических разработок (то есть фактически масштабного воспроизведения физико-химических эффектов в коммерческом масштабе) является, вообще говоря, исключительно сложной как в техническом, так и в социальном аспекте. Некоторые известные фирмы (Cabot, Degussa, DuPont) уже давно организовали производство нанопорошков основных типов (оксиды алюминия, кремния и титана) на основе аэрозольного пиролиза. В настоящее время многие фирмы начали промышленно изготовлять нанопорошки методами плазмохимии, обеспечивающими не только высокую производительность, но и возможность, как отмечалось выше, существенного снижения агломерации в продуктах [66] . Существует много других перспективных и интересных методов, коммерциализация и широкое использование которых упирается в известную проблему, наверняка знакомую американским читателям по названию романа Курта Воннегута «Уловка-22», ставшего символом внутренней противоречивости ситуации (в нашем случае – производство нанопорошков сдерживается отсутствием развитого рынка, а слабость рынка объясняется малым объемом производства самих порошков).

В последние годы общественность стала проявлять интерес не только к наночастицам и нанотехнологиям, но и к тому потенциальному риску, с которым может быть связано их широкое использование [67] . Некоторые авторы обратили внимание на корреляции между промышленным использованием наночастиц, уровнем загрязнения атмосферы и состоянием здоровья населения [68] . Основная и очень серьезная проблема состоит в том, что многие вещества, совершенно безопасные в обычной объемной форме, могут стать токсичными после измельчения до наноразмеров, то есть существующие нормы безопасности для их использования могут оказаться недостоверными. Поэтому уже сейчас ряд правительственных организаций США (включая Агентство по охране окружающей среды и Национальный научный фонд) активно занимаются изучением потенциального риска, связанного с производством и использованием новых материалов [69] .

13.3. Углеродные нанотрубки

Брент Сегал

Брент Сегал представляет фирму Echelon Ventures (Бирлингтон, штат Массачусетс), которая занимается с наиболее «взрывными» технологиями на стыке наук. Он принимал участие в раскрутке многих инновационных фирм, связанных с биохимией, нанотехнологиями, полупроводниками и т. д. Он является активным членом многих организаций, связанных с развитием нанотехнологий, в штате Массачусетс (в котором разработана собственная Massachusetts Nanotechnology Initiative, MNI) и соседних регионах. Можно отметить, что инновационные планы ряда штатов США вполне сопоставимы с планами некоторых стран. Б. Сегал занимает важное место среди ученых в развитии инновационных технологий в ряде северо-западных штатов США. Он является специалистом по биохимии, имеет множество публикаций в научных журналах, соавтор многих патентов в области нанотехнологий.

Углеродные нанотрубки, открытые Сумио Иидзима в 1991 году, продолжают поражать ученых своими необычными свойствами [70] . Обычно они представляют собой свернутые в цилиндр (диаметром около 1–2 нм) «листы» (плоскости) графена, которые заканчиваются округлыми вершинами из пятиугольных циклов углерода (рис. 13.2). В книгах по истории химии читатель наверняка видел иллюстрации открытия нового химического вещества, где химик стоит среди реторт и перегонных кубов, с удивлением наблюдая свечение или пары из колбы, где возникло новое соединение. В случае с нанотрубками все обстояло иначе, поскольку они были обнаружены специалистом по электронной микроскопии, исследовавшим осадок на поверхности катода после экспериментов по синтезу фуллеренов (бакиболлов, на жаргоне химиков).

Это открытие стало одним из важнейших в истории нанотехнологий (и науки вообще), поскольку оно не только позволило обнаружить новые вещества и свойства (естественно, существовавшие задолго до их открытия), но и создало массу возможностей для их дальнейшего исследования. Открытие Иидзимы казалось фантастическим, но затем было разработано множество других методов синтеза углеродных нанотрубок, связанных с использованием дугового разряда, лазерной абляции (испарения) и осаждением из газовой фазы [71] . Во всех этих технологиях при высоких температурах создаются свободные и активные атомы углерода, которые в дальнейшем сами образуют регулярные структуры (паттерны) на поверхности металлических частиц, стабилизирующих формирование фуллеренов, а затем и длинных цепочек из упорядоченных атомов углерода.

Наиболее распространенным методом является синтез в дуговом разряде, при котором в большом количестве формируются многослойные нанотрубки (обычно диаметром более 5 нм) в виде вложенных цилиндров, напоминающих по строению «русскую матрешку». В последние годы этот метод удалось модифицировать для получения большого количества и более ценных для практического использования однослойных нанотрубок. Метод лазерного испарения позволяет изготовлять высококачественные однослойные нанотрубки, но, к сожалению, он требует применения очень мощных лазеров, а его продуктивность весьма незначительна. Группа специалистов из университета Райса, возглавляемая Нобелевским лауреатом Ричардом Смолли (чей авторитет в этой области остается непререкаемым), предложила использовать для получения нанотрубок широко распространенный метод осаждения из газовой фазы. Нанотрубки по этой методике выращиваются с использованием распространенных неорганических реактивов и специфических катализаторов на переходных металлах, позволяющих формировать однослойные нанотрубки. Типичная схема строения углеродной нанотрубки представлена на рис. 13.2.

13.3.1. Необычные свойства нанотрубок

Легко заметить, что углеродные нанотрубки имеют очень интересные и необычные структуры, однако их физико-химические свойства являются еще более удивительными и предоставляют исследователям массу возможностей для практического применения, высокой коммерческой ценностью. Вообще говоря, эти трубки принято подразделять на однослойные и многослойные, но, учитывая значительное сходство характеристик, мы ограничимся для простоты обсуждением лишь однослойных трубок.