Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Полученный материал обладает магнитными свойствами, хотя сам углерод таковых свойств не имеет. Это достоинство нанопены, по мнению австралийских ученых, наряду с высокой поглощающей способностью к инфракрасному излучению (нагреву), может сыграть важнейшую роль в медицине при обнаружении и уничтожении различных опухолей. При введении нанопены в кровеносную систему появляется возможность ее отслеживания с помощью магнитно-резонансной томографии и последующего лечения пораженных участков за счет более интенсивного инфракрасного нагрева больных тканей, не травмируя соседние здоровые клетки.

Нанотрубки обладают другими уникальными возможностями и свойствами, которые рассматриваются в последующих главах. При этом углерод не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.

В связи с постоянным и бурным развитием нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания других самых разнообразных форм и разновидностей объектов. Благодаря указанным выше геометрическим характеристикам их также можно будет можно отнести к наноматериалам.

Недавно сообщалось о создании новой разновидности наноструктур – своего рода нанотравы, которая представляет собой достаточно плотный слой нановолокон, перпендикулярно ориентированных к поверхности подложки.

Нанотрава состоит из так называемых вискеров (от англ. whisker – волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) – нитевидных кристаллов диаметром от 1 до 10 мкм (отношение длины к диаметру – более 1000).

Наибольший интерес представляют манганитные вискеры состава Ba6Mn24O48. Сам по себе манганит – это минерал из класса окислов и гидроокислов с химическим составом MnO(OH), который в общем случае содержит 80,66 % MnO, иногда примеси Fe, Al, Ba, Pb, Cu и др.

Вискеры, по мнению ученых, – один из перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств, из которых можно изготавливать плетеные материалы или вату, но пока исследования в этой области находятся только в начальной стадии развития.

Таблица 5.Типы дисперсных систем

Благодаря сочетанию свойств многие из дисперсных сред являются перспективными нанотехнологическими материалами. К таким материалам относится аэрогель – класс дисперсных сред, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза (диспергированная система) полностью замещена газообразной. По внешнему виду аэрогель напоминает обыкновенный пенопласт, а по структуре представляет собой древовидную сеть (дендриды) из объединенных в кластеры наночастиц размером 2–5 нм и полостей размерами до 100 нм. Поры аэрогеля могут занимать до 90–99 % всего объема вещества, при этом его плотность составляет всего от 1 до 150 кг/м3.

В результате аэрогели при очень низкой плотности обладают относительно высокой твердостью, прозрачностью (выдерживают нагрузку, в 2000 раз превосходящую собственный вес), жаропрочностью и т. д.

Изобретателем аэрогеля принято считать американского химика Стивена Кистлера (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне. Он получил новый материал, замещая жидкость в геле метанолом. При нагревании полученного геля до достижения критической температуры (240 °C) под давлением метанол практически полностью испарялся, а сама гелевая основа «высыхала», превращаясь в твердую фазу и практически не уменьшаясь в объеме. В 1931 году полученные результаты Стивен Кистлер впервые опубликовал в журнале Nature.

Наиболее исследованы аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х годов получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Рассматривая дисперсную систему аэрогелей, мы упомянули термин «дендриды» (греч. дендрон – дерево, англ. dendritic – ветвящийся, древовидный). В настоящее время принято выделять и особый класс наночастиц – дендримеров – химические соединения (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой (древообразные полимеры).

Дендримеры являются полимерной структурой и состоят из мономеров, структурированных в древовидную форму (рис. 22).

Рис. 22. Рост дендримерной молекулы из основы N-X-N (вверх) и внешний вид дендримера

Разветвленная структура, похожая на крону деревьев, имеет множество внутренних полостей, которые можно заполнять теми или иными веществами, создавая объекты с соответствующими свойствами. Например, собирать различные наноэлектронные и наноэлектромеханические системы с использованием сканирующей зондовой микроскопии. Если полости дендримеров заполнить лекарственным или косметическим средством, их можно использовать в качестве нанокапсул для доставки к пораженным клеткам человеческого организма, заполнив серебром, можно применять как бактерицидное средство и т. д.

Несколько слов следует сказать о квантовых точках (англ. quantum dots) – малых фрагментах проводника (полупроводника), ограниченных по всем трем пространственным измерениям, содержащих электроны проводимости и характеризующихся наличием квантовых эффектов.

Квантовые точки, разрабатываемые для нужд радиоэлектроники, представляют собой конгломераты атомов классических полупроводниковых материалов (Si, InP, CdSe и др.), покрытых слоем изолирующего материала. Они могут состоять из десятков тысяч атомов, при этом габариты конгломерата исчисляются единицами нанометров.

Квантовые точки могут быть произведены как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Применительно к электронной технике квантовые точки обладают свойствами, принципиально отличными от объемных полупроводниковых материалов. Однако из-за пространственного ограничения движения носителей заряда в них проявляется квантово-размерный эффект дискретной структуры электронных уровней, вследствие чего квантовые точки иногда называют «искусственными атомами» (рис. 23).

Рис. 23. Схема коллоидной квантовой точки: 1 – эпитаксиальная оболочка ZnS (структурный тип сфалерита); 2 – ядро CdSe; 3 – гидрофобная поверхность

Одно из свойств этих нанокристаллов – способность излучать видимый свет строго определенной длины волны. Изменяя размер квантовой точки, изготовленной из одного и того же материала, можно варьировать цвет излучения. Например, квантовая точка диаметром 2 нм светится синим, а 6 нм – красным цветом. Вследствие высокой размерной однородности (более 95 %) квантовые точки испускают достаточно узкий спектр волны (полуширина пика флуоресценции – всего 20–30 нм), чем достигается феноменальная чистота цвета. Это свойство очень существенно для возможного производства экологически чистых дисплеев на квантовых точках, обладающих высоким качеством передачи цветовой палитры изображения.