Иван Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

В ближайшем будущем, по оценкам Research Techart, наибольшим спросом будут пользоваться не только простейшие наноматериалы (фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки, нанопористые материалы, наночастицы, наноструктурированные металлы), но и такие новые формы наноматериалов, как вискеры, дендримеры и квантовые точки.

Значительный скачок ожидается в разработке, изготовлении и продажах исследовательского и специального нанотехнологического оборудования, наноэлектромеханических систем для продукции наноэлектроники, а также бионанотехнологий для медицинской и косметической промышленности и производства пищевых продуктов.

На заседании Международной комиссии мер и весов 7 октября 1958 года было принято предложение известного отечественного метролога Григория Дмитриевича Бурдуна, который еще в 1956 году назвал миллиардную долю метра «нанометром». На этом же заседании было установлено, что в слове «нано» следует писать одну букву «н», как в греческом слове нанос – карлик, а не как в образовавшемся от него латинском слове nannus (океанология).

В 1960 году решением Генеральной конференции по мерам и весам была принята универсальная система единиц физических величин, получившая название Systeme internationale d’unites (Международная система единиц), или SI (СИ), которая и узаконила данные предложения.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский, занимаясь исследованиями аварий авиационной техники, в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия в 1969 году эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др.

Ученые установили, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторыми другими химическими элементами) коэффициент трения уменьшился на два порядка до значения ниже 0,001 (предела чувствительности измерительной установки) – можно считать, исчез совсем. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снизилась.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние.

Позднее в своей книге «Трение и мы» (1987) А. А. Силин пишет: «Экспериментально подтверждалось, что фундаментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10 -7см (1,0 нм. – Прим. автора), то есть порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения. Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации».

В 1973 году советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн более чем за десять лет до официального открытия команды Р. Смолли сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность.

Теоретическая возможность образования цилиндрических нанотрубок была предсказана в 1977 году советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании высказал Леонид Александрович Чернозатонский, что также значительно раньше их официального открытия.

Более того, в научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в начале 50-х годов прошлого столетия, но детально они изучены не были. Так, в 1952 году в «Журнале физической химии» была опубликована статья сотрудников Института физической химии РАН Леонида Викторовича Радушкевича и Всеволода Михайловича Лукьяновича «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте» [4] ЖФХ, 1952. Т. 26, № 1. – С. 88–95- , в которой описаны нитевидные углеродные образования диаметром 50 нм, обнаруженные с использованием электронного микроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Углеродные трубчатые наноструктуры (увеличение в 20 000), полученные Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукьяновичем

Анализируя полученные результаты, авторы работы сделали следующие выводы: «При исследовании структуры сажи, полученной из окиси углерода на железных контактах, было обнаружено, что сажа состоит из частиц сложного строения. Большинство частиц имеет вытянутую червеобразную форму с характерными окончаниями, свидетельствующими о направленности роста. Частицы, выращенные в некоторых случаях на отдельных крупинках железа в атмосфере окиси углерода, имеют правильную нитевидную форму с плотными окончаниями. В первой стадии в результате химической реакции взаимодействия СО с железом образуются нитевидные зародыши. Во второй стадии за счет образования на ней кристаллов графита протекает поперечный рост частиц. Окончательно выросшие частицы представляют собой продукт роста и деформации первичных частиц. Обнаружены необычные формы сдвоенных частиц, переплетенных между собой. Образование этих агрегатов протекает по особому механизму, детали которого ждут своего объяснения».

В это же время руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходеев впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Первая отечественная нанотехнологическая установка в СССР, созданная под руководством Петра Николаевича Лускиновича, осуществляла направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. Она заработала в 1987–1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта».