Нанотехнологии: вчера, сегодня, завтра

Суждено ли России стать в XXI веке одним из мировых лидеров в области высоких технологий?

Еще в 1959 году американский физик Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии, высказал предположение, что в скором времени многие материалы и устройства будут изготавливать на атомарном или молекулярном уровне и что это поможет получать материалы с невиданными доселе свойствами. Однако лишь четверть века спустя, в 80-х годах, появилась измерительная и рабочая аппаратура, необходимая для обращения с наноразмерными объектами, — сканирующие зондовые микроскопы. С этого момента и можно говорить о нанонауке как о самостоятельной дисциплине, причем настолько всеобъемлющей и важной, что она, по всей видимости, будет задавать тон в развитии XXI века в целом.

Эстафетная палочка переходит?

Приоритет открытия и использования веществ, находящихся в ультрадисперсном состоянии (по сегодняшней терминологии — в наносостоянии), принадлежит советским ученым. В СССР исследования таких веществ начались уже в 1950-х годах, а первая публикация, касающаяся свойств наноструктур, появилась в 1976 году. Тремя годами позже, учитывая важность данной тематики, ученый совет АН СССР создал секцию «Ультрадисперсные системы», на которую возложил координацию фундаментальных и прикладных исследований по наноматериалам и нанотехнологиям, проводимых в учебных и научно-исследовательских институтах страны. Однако удержать лидерство в этой области СССР не удалось. Сейчас первенство (правда, не по всему фронту) принадлежит США. Это главным образом определяется тем, что в США первыми поняли государственное значение нанотехнологий.

Вещества и объекты, относящиеся к ультрадисперсным и наноматериалам, чрезвычайно многообразны, и число их растет с каждым годом. Среди самых перспективных в плане практического применения — различные виды нанокерамики, а также керамика, модифицированная нанодобавками; полупроводниковые наноматериалы; квантовые точки, нити, сверхрешетки; островковые пленки и некоторые другие.

Важную роль в развитии нанотехнологий сыграло открытие новых стабильных углеродных наноструктур, фуллеренов (1985) и нанотрубок (1991), расширившее возможности применения уникальных свойств наноматериалов. В 1993 году Министерством науки и технологий РФ была разработана федеральная целевая научная программа «Фуллерены и атомные кластеры», а в 2001 году в РАН стартовала комплексная программа «Нанометровые и супромолекулярные системы», контроль за выполнением которой был возложен на научный совет под председательством академика Михаила Алфимова.

Вооруженным взглядом

Среди наноматериалов, интенсивное изучение которых ведется не только у нас, но и во всем мире, в течение последних 10 лет, можно выделить три класса — ультрадисперсные порошки и компактные нанокристаллические материалы; нанокластеры и нанокластерные структуры; фуллерены, нанотрубки и их производные. Для изучения состава и структуры нанообъектов применяют различные методы — разного рода спектроскопии, электронную микроскопию высокого разрешения, рентгеноструктурный анализ, туннельно-зондовую микроскопию (в том числе — сканирующую, атомно-силовую и т.д.) и др. Сканирующие зондовые микроскопы, с появлением которых нанотехнологии вышли на качественно новый этап своего развития, являются одной из областей, в которых Россия входит в число мировых лидеров.

Первыми эти устройства начали производить некоторые фирмы США и ряда других зарубежных стран. Но и наша страна не осталась в стороне, продукция молодой зеленоградской фирмы «НТ-МДТ», которую называют одной из ведущих в российской наноиндустрии, пользуется в последнее время устойчивым спросом на мировом рынке.

Для изучения физико-химических свойств наноматериалов применяют другие способы — несколько видов калориметрий, микроиндентирование, объемное деформирование сжатием и изгибом, измерение скорости прохождения звука, газовую хроматографию и др. Анализируя развитие методов физических и физико-химических исследований, связанных с изучением микроскопических объектов, можно проследить за изменением их характера, ярко проявившимся в последнее десятилетие. Если раньше в качестве основного рассматриваемого объекта выступали атомные частицы природного происхождения, то теперь на первый план выходят искусственно созданные образования субмикронных и нанометровых размеров — ультрадисперсные порошки, фуллерены, нанотрубки. Такие наноструктуры демонстрируют принципиально новые свойства (механические, физические, химические, биологические), которые и дают возможность их широкого использования в современных отраслях высоких технологий — электронике, оптоэлектронике, наномеханике и т.д.

Как получают нанопорошки

При механическом измельчении (диспергировании) исходного материала (этот метод широко применяется в порошковой металлургии) частицы не достигают нанометровых размеров. Поэтому данный способ является как бы промежуточным. В дальнейшем, используя, скажем, механохимический синтез, получают нанокристаллические порошки сложных оксидов и оксидов рассеянных элементов (рубидий, галлий, гафний, германий и др.) с размером частиц 30-70 нм, которые, в свою очередь, состоят из блоков размером 1-3 нм. Последние являются основой для изготовления наноструктурной сегнето-, пьезо- и магнитокерамики.

Известны несколько способов получения ультрадисперсных частиц и нанопорошков, основанных на испарении порошковых материалов в потоках низко- или высокотемпературной плазмы, создаваемых ВЧ-, СВЧ-нагревом или электрической дугой в вакууме при пониженном давлении инертного газа. Один из них — плазмохимический метод. В потоке плазмы реализуются условия для прохождения химических реакций с формированием заданной субстанции. Так получают порошки металлов, сплавов, нитридов, боридов и карбидов с размерами частиц от 10 до 1000 нм, а кроме того, частицы цирконата-титаната свинца для изделий из пьезокерамики.

Другой вариант — конденсация наночастиц в потоке плазмы (метод Гена-Миллера). Этим способом уже произведены порошки алюминия, серебра и никеля со средним размером менее 10 нм.

Наиболее традиционными являются методы осаждения ультрадисперсных частиц в процессе химических реакций в жидкостях. Они основаны на тех или иных фазовых превращениях (переохлаждение жидкости, пересыщение пара, перегрев твердых солей органических кислот, превышение предела растворимости и т.п.). Эти способы хорошо изучены и в наибольшей степени позволяют регулировать свойства получаемых нанопорошков. Однако их применение для решения новых задач, таких как получение ультрадисперсных порошков, в том числе и нанокомпозитных, с требуемыми физико-химическими характеристиками, вызывает сомнения.

От нанопорошков к наноматериалам

Для создания компактных нанокристаллических материалов, которые применяются в различных областях промышленности, в настоящее время используется четыре основных способа — компактирование ультрадисперсных порошков; осаждение их на подложку; кристаллизация аморфных сплавов и интенсивная пластическая деформация.

В первом случае применяются такие процессы порошковой металлургии, как прессование и спекание (в том числе — под давлением). При различных видах компактирования порошков получают наноматериалы (в основном металлы, оксиды и керамику) с относительной плотностью от 70 до 99% и размером зерна 100-500 нм.

Другим способом — осаждением ультрадисперсных частиц на холодную или подогретую поверхность подложки — производят пленки и покрытия, то есть непрерывные слои нанокристаллического материала. Осаждение на пленку наночастиц может происходить из паров соответствующего состава, из плазмы или коллоидных растворов. Этот метод позволяет получать пленки (главным образом металлов и полупроводников) заданной толщины с размером кристаллитов в пределах от 10 до 30 нм.

Для создания нанокристаллических ферромагнитных сплавов на базе систем Fe-Cu-M-Si-B (возможны и другие варианты) сначала получают тонкие ленты аморфного металлического сплава с помощью быстрого охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана, а затем проводят отжиг — так, чтобы возникло большое число центров кристаллизации, а скорость роста самих кристаллов была низкой. Этим способом удается получать наноструктуры с размером кластеров, скажем меди, менее 1 нм.

Привлекательным методом получения компактных сверхмелкозернистых материалов с размером зерен в пределах 100 нм является интенсивная пластическая деформация. В ее основе лежит формирование наноматериалов за счет использования больших деформаций сильно фрагментированной или разориентированной структуры, сохраняющей в себе остаточные признаки рекристаллизованного состояния.

Для достижения необходимых деформаций материала используют различные методы (кручение под квазигидравлическим давлением, равноканальное угловое прессование, прокатка, всесторонняя ковка), общая сущность которых заключается в многократно производимой пластической деформации сдвига обрабатываемых материалов. Подобный процесс позволяет получать массивные образцы материала с практически беспористой структурой, что недостижимо в других случаях. Этот метод применяют для получения субмикрокристаллической структуры металлов (медь, железо, никель) и сплавов на основе алюминия, магния и титана.

Фуллерены и нанотрубки

Первый сканирующий туннельный микроскоп компании «НТ-МДТ» был изготовлен в 1990 году (тогда она называлась «МДТ»)

Особый интерес в производстве наноматериалов представляют собой различные формы углерода — фуллерены, нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсный алмаз, нанопористый углерод и др. Ученые всего мира, в том числе и России, много сил тратят на изучение этих уникальных ультрадисперсных образований и их возможных применений на практике. В числе «потребителей» этих наноматериалов одними из первых значатся нано- и оптоэлектроника.

Электрические, оптические и механические свойства фуллереноподобных материалов в конденсированном состоянии и нанотрубок способствуют расширению возможностей структурных элементов нано- и оптоэлектронного оборудования, а также уменьшению их размеров. Уже созданы прототипы одноэлектронных транзисторов из нанотрубок. Сильная оптическая нелинейность фуллеренов и нанотрубок способствует удвоению и даже утроению частоты проходящего через них света, что, возможно, позволит разрабатывать оптические затворы, ключи и частотные модуляторы — основные элементы оптических процессоров.

В числе задач, решением которых занимаются российские ученые, можно выделить следующие:

создание приборов вакуумной микроэлектроники на основе автоэлектронных эмиттеров (нанотрубок, обладающих высокой радиационной стойкостью);
разработка полевых, в том числе одноэлектронных, транзисторов на нанотрубках, квантовых проводниках и других углеродных наноструктурах, а также интегральных устройств обработки сигналов на их основе;
решение технологической проблемы управляемой сборки или ориентированного формирования нанотрубок для создания высокоинтегрированных устройств обработки информации.

Для электроники и не только

Потребность в наноматериалах испытывает не только электроника, но и более «масштабные» отрасли — транспорт, машиностроение и строительство. Добавка фуллерена к смазочным материалам (причем как к жидким, так и к твердым, графитовым или из дисульфида молибдена) существенно уменьшает трение в механических узлах машин и механизмов. Многофункциональные алмазографитовые присадки к моторным маслам улучшают их антифрикционные и противоизносные свойства. При этом расход топлива сокращается на 2-7 %, износ деталей — в 1,5-2,5 раза, а мощность двигателя внутреннего сгорания увеличивается на 2-4%. Металл, имеющий ультрадисперсную структуру, обладает прочностью в 1,5-2, а иногда и в 3 раза большей, чем у традиционного «собрата». Более того, его твердость выше в 50-70, а коррозионная стойкость — в 10-12 раз.

Успехи развития фундаментальной науки в области изучения и создания наноструктур и разработки нанотехнологий, а также перспективы использования наноматериалов являются столь значительными, что ученые и инженеры практически всех специальностей вправе ожидать от этой области новой технической революции.

Идем вместе?

Большинство отечественных специалистов считают, что без единой государственной политики и всесторонней финансовой поддержки развитие нанотехнологий в России будет идти чересчур медленными темпами. В апреле 2002 года Президентом РФ был подписан документ «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу». В этом документе в перечень критических технологий, связанных с наноматериалами и нанотехнологиями, включены следующие направления: «Материалы для микро- и наноэлектроники»; «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки и контроля»; «Микросистемная техника»; «Синтетические сверхтвердые материалы»; «Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров»; «Базовые и критические военные и специальные технологии».

Ряд комплексных программ, связанных с нанотехнологиями, реализует Российская академия наук. Масштабные работы по данной тематике проводят Министерство промышленности, науки и технологий, Министерство атомной промышленности, Министерство обороны, более 80 академических, прикладных и учебных институтов нашей страны.