Знание-сила, 2008 № 08 (974)

Похожие на розы структуры гидроксида магния получены многократным свертыванием тончайших слоев

Мне повезло. Первый разговор о будущем нанотехнологии у меня был не с химиком, а с физиком-теоретиком. Речь шла об углеродных нанотрубках. Хотя я впервые услышал об этом, меня поразило то, с каким увлечением этот человек говорил о них. Больше всего мне запомнилась фраза, относящаяся к проявлениям квантовой теории поля: «Это поразительно, что такая сложная теория действительно работает!» Я думаю, что слова «она работает!» можно назвать девизом нанонауки, если под словом «она» подразумевать всю сложную, неочевидную, «нереальную» физику, которая появилась в двадцатом веке.

Помню, как на занятиях по квантовой механике мы получали решение уравнения Шредингера для электрона в потенциальной яме. Когда я это делал, в моей голове проскакивали мысли наподобие «откуда оно вообще взялось, это уравнение Шредингера?!» или «зачем мне нужно знать про какие-то квантованные энергетические состояния в этой яме?!» Да, я понимал, что если мы этого не сделаем, то нельзя будет вывести еще одно сложное уравнение, потом его приближенно решить, чтобы полностью запутаться в формулах, и якобы узнать, откуда берется то, что я знаю еще из школы (в данном случае речь шла о квантово-физическом объяснении периодического закона Д.И. Менделеева). Однако теперь у меня вызывает бурю эмоций тот факт, что так называемые квантовые точки (нольмерные наноструктуры) представляют собой не что иное, как потенциальный ящик, в котором заключены электроны. От размеров этой точки- ящика зависит, какие энергетические переходы могут наблюдаться в энергетическом спектре точки, а это, в свою очередь, определяет длину волны света, поглощаемую и испускаемую такими наночастицами. И сразу начинаешь по-другому относиться и к уравнению Шредингера, и ко всей этой «высокой науке». Главное, «она работает!»

«Беспозвоночное магматического периода» — так называемые вискеры манганита бария

Исторически сложилось, что под словом «материаловед» подразумевается специалист в химии сплавов, функциональных (то есть имеющих какие-то интересные физические свойства) и композиционных материалов. Но в последнее время возникла проблема, связанная с механическими свойствами получаемых и исследуемых материалов. Особенно это относится к функциональным и композиционным материалам, а также к так называемым биоматериалам. Особый интерес сейчас представляют механические свойства наноматериалов. Приведу несколько примеров того, как знание механики помогает материаловедам.

Предположим, что вы занимаетесь технологией производства ионных проводников, которые нужны для батареек, топливных ячеек. Вы сумели получить порошок, обладающий рекордным значением проводимости. Естественно, возникает желание внедрить эту технологию в производство, но здесь вас ожидает сюрприз: готовые изделия, спрессованные из вашего порошка, рассыпаются при малейшей нагрузке! Вы не отчаиваетесь и пытаетесь за счет добавок (пластификаторов) увеличить качество прессования. Но и тут вас ожидает неудача, а именно — резкое снижение тех «рекордных» проводящих свойств. Так что же, ваш замечательный материал никому не нужен? Конечно, нет! Просто вы не учли, что механические свойства материала определяются его микроструктурой. Сейчас ученые научились делать материал, на микроуровне представляющий собой тонкие монокристаллические ниточки (так называемые вискеры). Тонкая пластинка, содержащая такие вискеры, не ломается при достаточно сильных деформациях, и при этом имеет высокие значения проводимости и емкости.

Второй пример связан с биоматериалами. Если человек получил сильную травму черепа, ему нужен костный заменитель — имплантат. Этот имплантат должен быть легким и прочным, а также «биосовместимым», то есть не отторгаться организмом. У обычных титановых имплантатов очень хорошо с механическими свойствами, но плохо с биологическими. Естественно, у ученых возникла мысль попробовать сделать имплантат из материала, близкого по составу к кости. Основным керамическим ее компонентом является гидроксилапатит (основной фосфат кальция). На нашем факультете научились изготавливать из гидроксилапатита материалы, близкие по прочности к костной ткани. Однако прежде чем опробовать их на живых существах, необходимо грамотно провести испытания на прочность, долговечность, трещиностойкость и другие механические параметры. Тут без знаний механики не обойтись!

Оказывается, знание механики может пригодиться и в таких модных и высокотехнологичных областях науки, как наноматериаловедение. С одной стороны, это связано с необходимостью скорейшего внедрения нанотехнологий в производство, что подразумевает наличие хороших механических свойств у наноустройств. С другой стороны, существует принципиальный вопрос: как работает механика на наноуровне? К сожалению, в нашей стране интерес к этой теме пока еще достаточно низок.

Вместе с эволюцией наших представлений о науке изменяется и наше представление о современном ученом. Я хочу немного рассказать, каким я вижу передовика нанонауки.

Вспомним, что несколько столетий назад ученые не делились на химиков и физиков, биологов и астрономов, математиков и механиков. Так, например, М.В.Ломоносов имел обширные знания в области химии, физики, астрономии, философии и так далее. Но шли годы, рождались новые науки. И теперь, выпускаясь из университета, человек является профессионалом в достаточно узкой области знания (у нас в школе была шутка про одного из моих приятелей, что он будет учиться на «специалиста по закону Ома»). Однако рождение нанонауки делает таких ученых неконкурентоспособными. В доказательство приведу два примера.

Недавно наш факультет провел уже вторую Наноолимпиаду для школьников, студентов и аспирантов со всего света. Олимпиада проводилась по сети Интернет, участвовать мог любой желающий (подробнее о Наноолимпиаде можно узнать на сайте www.nanometer.ru). Главным ее достижением я бы назвал задания, предложенные для решения. Олимпиада не получилась «однобокой» — напротив, при решении практически каждой задачи участникам потребовалось последовательно решать физические, химические и математические проблемы. Задания получились творческими и очень красивыми (думаю, каждый участник был покорен красотой наномира, показанного на иллюстрациях).