От нанотехнологий к фемтотехнологиям, далее везде...
Аннотация
Ведущими учеными в области нанотехнологий поднят ряд вопросов, актуальных для наноиндустрии. Развивающаяся в последние 15 лет нанотехнология занимается проектированием из атомов и молекул новых материалов.Главное ее достижение – это нанотрубы. Можно надеяться, что через более короткий срок, ученые займутся фемтотехнологиями, что позволит человечеству сделать очередной гигантский прыжок в своем развитии. Число инноваций увеличивается в геометрической прогрессии, и их промышленное освоение весьма реально и перспективно во всех областях нашей жизни.
Ключевые слова: нанотехнологии, наноиндустрия, когнитивные технологии, наночастицы, фемтотехнологии.Ключевые слова:
Ведущими учеными в области нанотехнологий был поднят ряд вопросов, актуальных для наноиндустрии, являющейся промышленной отраслью масштабом более миллиарда долларов. Можно ли предвидеть, существуют ли пределы и ограничения при массовом производстве наноматериалов?
В статье, опубликованной на этой неделе в журнале «Journal Nanotechnology», профессор Майк Келли из центра «Advanced Photonics and Electronics» Кембриджского университета заявил, что ученым не удастся найти способ массового производства структур, размерами 3 нм и менее при подходе «сверху вниз». Для выхода на рынок необходимо, чтобы технология производства была низкозатратной и массовой, однако, утверждает профессор Келли, наши технологии не в состоянии обеспечить сохранение необходимых свойств при производстве элементов меньше предельных 3 нанометров.
Известный подход к производству «Сверху вниз», который Келли считает ограниченным, использует технологии, в результате которых из массивных материалов получают наноматериалы путем измельчения. Пропагандируемый им альтернативный подход, «Снизу вверх», включает в себя сборку на атомарном, или как правило, молекулярном уровне, что позволяет строить наноматериалы так же, как «головоломки». Однако этот процесс представляется слишком непредсказуемым для бездефектных массового производства наноматериалов.
Кажется, что обозначился тупик, но одновременно с работой профессора Келли, профессор Александр Болонкин (научный сотрудник NACA и лабораторий ВВС США) в статье, опубликованной в “American Journal of Engineering and Applied Science”, описал новый искусственный вид ядерной материи (АБ-материя), который не обнаружен пока в природе.
Развивающаяся в последние 15 лет нанотехнология занимается проектированием из атомов и молекул новых материалов. Главное ее достижение – это нанотрубы – искусственные волокна из графита и графен – тончайшая, в один атом, графитовая пленка. Они теоретически примерно в 10-50 раз прочнее стали. Но это предел прочности атомных материалов. Профессор Болонкин разработал теорию и методы проектирования материалов из ядер. Ядерные силы в миллионы раз больше атомных молекулярных сил и, соответственно, прочность ядерных материалов в миллионы раз выше прочности нанотрубок. Кроме того, ядерная материя не взаимодействует с обычной материей и, как показывают исследования, обладает многими удивительными свойствами, как например, способностью не терять прочность при температуре в миллионы градусов. Заметим, что ядерная материя возможна, потому что она уже существует в природе на нейтронных звездах. Но там она собрана в единый большой комок. АБ-материя отличается тем, что она производится в виде ажурных конструкций (нити, пленки, сетки и т.п.). На поверхности нейтронных звезд давление равно нулю. Это означает, что ядерная материя может существовать и в обычном мире. Известно, что протоны (частицы ядерной материи) ученые получают и используют в своих экспериментах. Подобно нанотехнологии надо научиться составлять из них ядерные конструкции.
От момента, когда в 1959 году американский физик Ричард Фейнман (Feynman) обратился с призывом развивать нанотехнологии, только через 40 лет ученые занялись этой проблемой. Можно надеяться, что через более короткий срок, ученые займутся фемтотехнологиями, что позволит человечеству сделать очередной гигантский прыжок в своем развитии.
Сделав вышеприведенную ремарку, перейдем к описаниям новых решений в нанотехнологиях и смежных областях новой техники.
Новая графеновая бумага, по толщине сравнимая с плотным листом целлюлозной бумаги, по прочности превосходит сталь.
Исследователи в Австралии создали бумагу из множества слоёв графена. Она показала удивительные механические свойства, сохраняя хорошую гибкость и высокую упругость. Специалисты из технологического университета Сиднея (UTS) Ali R. Ranjbartoreh, Bei Wang использовали комбинацию химической и тепловой обработки для того, чтобы аккуратно отделить от графита одноатомные слои, очистить их и выложить, как бутерброд, в идеально выровненную структуру из гексагональных решёток атомов углерода — графеновую бумагу (graphene paper — GP).
При этом испытания показали, что новый материал в два раза твёрже и в десять раз прочнее при растяжении, нежели углеродистая сталь. А модуль упругости при изгибе оказался выше в 13 раз. Исследователи полагают, что графеновая бумага окажется великолепным конструкционным материалом, востребованным в авиационной и автомобильной отраслях, да ещё — дружественным природе и экономически оправданным.
Лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новосёлов и их коллеги из Великобритании, Нидерландов, Японии, США и России обнаружили неожиданный эффект в опытах с графеном, помещённым в магнитное поле. Новое явление повышает шансы на то, что графен будет применяться в спинтронных устройствах, использующих для представления информации не только заряд, но и спин частиц. Сейчас учёным, занимающимся спинтроникой, приходится экспериментировать с довольно сложными двухэлементными структурами, одна часть которых — магнитный материал — играет роль источника поляризованных по спину электронов.
Гораздо удобнее работать с материалом, сочетающим хорошие электронные и магнитные свойства. Многие уже сейчас называют графен, имеющий отличную теплопроводность и высокую подвижность носителей заряда, будущей основой электроники, а результаты новых экспериментов говорят о том, что двумерную модификацию углерода можно использовать и для манипулирования спиновым током.
Германские физики из Исследовательского центра Дрезден-Россендорф и Дрезденского технического университета экспериментально зарегистрировали редкий эффект — сосуществование сверхпроводящего и ферромагнитного состояний — в наноразмерных образцах интерметаллического соединения никеля и висмута.
Давно известно, что ферромагнетизм и сверхпроводимость относятся к тем типам упорядочения, которые конкурируют друг с другом. Антагонизм проявляется прежде всего в их отношении к магнитному полю: сверхпроводник стремится вытолкнуть его (этот эффект был отмечен ещё в 1933 году Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом), тогда как ферромагнетик концентрирует силовые линии поля в своём объёме.
Тем не менее материалы, сочетающие ферромагнитный порядок со сверхпроводимостью, существуют. К ним относятся, к примеру, соединения урана UCoGe и URhGe. Теперь к этой малочисленной группе присоединяется новый материал Bi3Ni. В проведённых авторами опытах вместо обычных крупных образцов, которые имеют тривиальные свойства, использовались наноразмерные «волокна» интерметаллического соединения. Измерения подтвердили, что сверхпроводимость в наноструктурах Bi3Ni проявляется в фазе с ферромагнитным порядком и сохраняется в необычайно сильных магнитных полях.
Группа исследователей из Университета Калифорнии (Сан-Диего) получили наноструктуры из углерода и продемонстрировали, что эти наноразмерные объекты могут применяться для создания микросенсоров для обнаружения летучих органических соединений. Руководитель исследования, профессор Майкл Сейлор (Michael Sailor) отмечает, что разработанные в его группе сенсоры могут служить для более точного определения степени насыщения активированного углерода в фильтре противогаза. Поскольку химические свойства нановолокон практически аналогичны свойствам использующегося в противогазах активированного угля, сорбционная способность этих материалов по отношению к органическим соединениям практически одинакова.
Исследователи из группы Сейлора организовали нановолокна углерода в организованные структуры – фотонные кристаллы, отражающие свет с определённой длинной волны. Полученные в результате сенсоры могут переливаться всеми цветами радуги, при этом цвет фотонного кристалла изменяется при насыщении углерода токсинами, что позволяет визуально контролировать степень насыщения фильтра токсинами. Новые сенсоры отличаются крайне небольшими размерами и высокой чувствительностью, что, как признают, производители средств защиты органов дыхания, позволит использовать их для интеграции в противогазы и респираторы.
Продолжаются эффективные разработки военных нанотехнологий. ТакВВС США хотят получить крошечные беспилотные аппараты , которые смогут подкрадываться к противнику и помечать его специальным порошком или слизью. Это позволит американским войскам незаметно следить за определенными людьми и техникой и в случае необходимости немедленно уничтожить их высокоточным оружием. Американские военные опубликовали запрос на разработку миниатюрных беспилотных аппаратов , которые могли бы тайно наносить гипотетическую "пыль" на людей и отслеживать их на расстоянии. В запросе указано, что эта технология будет полезна во множестве случаев: от идентификации своих солдат и гражданских лиц, до отслеживания диких животных. Но, вероятно, главной целью является слежка за террористами и вскрытие подпольных террористических сетей.
Эффективное отслеживание врагов имеет в Пентагоне высокий приоритет. Так, ВМС США подписали $450-млн. контракт с компанией Blackbird Technologies на производство крошечных маяков, для отслеживания местоположения террористов. В прошлом году Министерство обороны США выделило 210 млн долл. на поиск новых передовых методов установки маркеров для сопровождения и обнаружения местоположения объектов. Список направлений этого исследования удивительно разнообразен. Озвучены различные идеи: от однозначно идентифицируемых феромонов насекомых, до инфракрасных приборов, которые отслеживают людей по тепловому отпечатку пальцев. Компания Voxtel в рамках этого проекта разрабатывает крошечные нанокристаллы, которые невидимы в прозрачной жидкости, но отлично видны в очки ночного видения.
ВВС хотят получить также другую технологию - "умную пыль", которая представляет собой облако крошечных датчиков, приклеивающихся к коже человека или его одежде. Беспилотный аппарат должен выбросить пылевидное облако меток, излучающих электромагнитный сигнал. Для этого необходимо разработать технологии высотного "опыления" или малый боеприпас, который будет с высокой точностью наносить пыль на преследуемый объект. Для нанесения меток лучше всего подойдут миниатюрные дроны, электронные "насекомые", которые активно разрабатываются рядом американских компаний и научных учреждений при участии специалистов оборонного научного агентства DARPA.
ВВС США планируют в скором времени получить дроны, которые смогут предугадывать поведение пилотов других летательных аппаратов. Среди рядовых контрактов, подписанных недавно американским военно-авиационным руководством, имеется соглашение от 23 декабря прошлого года. Оно заключено с компанией Soar Technology, которая при содействии Мичиганского университета обязуется разработать систему Explanation, Schemas, and Prediction for Recognition of Intent in the Terminal area of operations (ESPRIT). Беспилотные летательные аппараты (БЛА), хотя и не требуют тотального контроля со стороны оператора, всё же не могут обходиться без людского внимания. Там, где лётная активность высока, существует опасность столкновения с пилотируемыми самолётами. Система ESPRIT как раз нацелена на повышение автономности БЛА и предотвращение таких ситуаций путём анализа поведения находящегося поблизости пилота.
Специалисты Soar Technology считают, что когнитивные технологии сделают беспилотную авиацию дешёвой, эффективной и не нуждающейся в пристальном внимании диспетчеров и прочего обслуживающего персонала. Наделить БЛА искусственным интеллектом ради предотвращения воздушных аварий обещает и компания Stottler Henke Associates, также подписавшая контракт с американскими ВВС. Она не приводит подробностей своего предложения, однако отмечает, что с помощью этой технологии можно управлять бортовым вооружениемдля борьбы с террористами и контрабандистами.
НАСА завершило начатые ещё в июне 2005 года испытания двигательной установки, которая работает на ионизированном газе. Теперь ею можно оснащать космические аппараты, разгоняя их до невиданных ранее скоростей. Часто фигурирующие в научной фантастике ионные двигатели применялись на практике ещё в 70-е годы. Тяга в них создаётся за счёт разгона ионизированного газа в электростатическом поле. Преимуществом подобных ДУ по сравнению с традиционными химическими решениями является высокая эффективность, а именно возможность разогнать аппарат до десятков километров в секунду при малом расходе топлива. Правда, это происходит уже в космическом пространстве при долгой работе ионного двигателя: его стартовая тяга невелика. Поэтому в качестве основной системы, приводящей в движение космический корабль, эту схему начали использовать совсем недавно.
Пионером ионного движения стал американский аппарат Deep Space 1, запущенный в 1998 году. За ним последовали европейский и японский зонды, а последним крупным проектом на сегодня стала автоматическая межпланетная станция Dawn, отправленная НАСА изучать астероид Весту и карликовую планету Цереру. Ионный двигатель Dawn и стал образцом для создания ксеноновой системы NASA's Evolutionary Xenon Thruster (NEXT). Разработчики из Исследовательского центра имени Гленна и компании Aerojet смоделировали самые разнообразные миссии, в которых может быть задействована такая ДУ.
Химик Майкл Страно (Michael Strano) из Массачусетского технологического института достиг предела чувствительности датчиков взрывчатых веществ – его сенсор способен обнаружить даже одну молекулу взрывчатки. Сенсор Майкла Страно выглядит просто: частица металла в 30 тыс. раз тоньше волоса, покрытая смесью белка из пчелиного яда. Микроскопическая нить детектора способна обнаружить даже одну молекулу опасных химических веществ, что является абсолютным достижением в истории подобных детекторов.
Пчелы обнаруживают бомбы лучше всех и в этом плане намного превосходят служебных собак. С начала этого века оборонное научное агентство DARPA активно работает над применением пчел в поиске взрывчатки, противопехотных мин и различных химических маркеров. В настоящее время существуют приборы, которые используют живых пчел в качестве чувствительных датчиков. Дело в том, что пчелиный яд содержит небольшое количества белка, пептида, который обладает уникальными свойствами. Если поместить его на поверхность углеродной нанотрубки и посмотреть в инфракрасный микроскоп, то можно увидеть, как пептид реагирует на присутствие молекул нитратных взрывчатых веществ - нанотрубка начинает светиться. Таким образом, сенсор, представляющий собой проводок толщиной в один атом, способен регистрировать присутствие одной молекулы взрывчатки. Изобретение Майкла Странно позволит отказаться от "зарядки" датчиков живыми пчелами в пользу использования микроскопического количества пчелиного яда. По сравнению с сенсором Страно самые современные спектрометры на основе анализа миграции ионов, которые используются в аэропортах США, становятся очень грубым инструментом (они могут обнаруживать химические вещества в количестве нескольких частей на миллиард).
Интенсивно ведутся разработки по использованию нанотехнологий в энергетическом секторе. Например, по превращению метана в топливо при комнатной температуре. Ученые из Технологического института Джорджии и Университета Ульма обнаружили способ управления газовой фазой избирательного каталитического сжигания метана. Процесс управления настолько точен, что, используя один процесс, удается при комнатной температуре получать этилен, а при более низких температурах - формальдегид. Это сулит значительную экономию средств при синтезе пластмасс, синтетического топлива и других материалов. Новый процесс основан на использовании в качестве катализатора димерных катионов золота - положительно заряженных двухатомных кластеров золота. Особый интерес представляет превращение при комнатной температуре дешевого газа метана в этилен – сырье для этанола, который может использоваться как топливо для ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания.
Американским исследователям удалось объединить технологии производства биотоплива и очистки воды, отобрав пригодные для этого разновидности простейших водорослей. Потребляя фосфаты и азотсодержащие вещества, водоросли способны вырабатывать липиды (в частности масла). Однако далеко не все виды этих растений и бактерий производят «правильные» липиды должного качества, которые могут быть превращены в топливо. Инженер Эрик Лэннан из Рочестерского технологического института (RIT) вместе с коллегами выявил три рода одноклеточных водорослей — Scenedesmus, Chlorella и Chlamydomonas, — которые не только служат поставщиками биотоплива, но и используют в качестве питательной среды сточные воды. В лабораторных опытах микроорганизмы уже в первые три дня поглотили 99% всего аммиака, 88% нитратов и 99% фосфатов, очистив воду и выделив при этом основу для топлива. В течение ещё трёх дней голодающие бактерии будут выделять масла из внутренних запасов, после чего можно будет собирать урожай. Г-н Лэннан намерен использовать для экстракции масел метод механической выжимки. Оставшуюся биомассу можно превратить в компостное удобрение или сырьё для производства метана и этанола.
Разработан и другой способ генерации энергии и очистки воды; основным ингредиентом процесса является особый алюминиевый сплав, который инициирует реакцию разложения воды на водород и кислород.
Сплав, который, помимо алюминия, содержит галлий, индий и олово, получен профессором Университета Пердью Джерри Вудоллом и его помощником Го Чоем. Как только вещество оказывается в налитой в реакторную установку воде (не суть важно, пресной или солёной), оно вызывает отделение молекул водорода от кислорода. Образующийся водород используется в топливном элементе для производства электричества с выделением водяного пара в качестве побочного продукта. В процессе парообразования устраняются посторонние примеси и погибают бактерии, а сам пар затем конденсируется и становится совершенно пригодной для питья водой. Ещё одним побочным продуктом является гидроксид алюминия, к счастью для изобретателей, не представляющий опасности для окружающей среды. По словам профессора Вудолла, производство литра чистой воды обходится всего в 26 центов, а киловатт-час энергии стоит около 34 центов. Ну а алюминий, как известно, — один из самых распространённых металлов на планете. Исключительная рентабельность процесса позволяет использовать систему в беднейших странах или удаленных регионах. Кроме того, поскольку установка работает, в том числе и на морской воде, она могла бы использоваться для совсем уж невероятного — привода небольших судов и подводных роботов.
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали топливный элемент, которому не требуется дорогостоящая платина. Новая водородная топливная ячейка может стать экологически чистой заменой современным источникам энергии, которые используются повсеместно – от портативных компьютеров до автомобилей.
В катодах современных водородных топливных элементов в качестве катализатора используется платина. Этот драгоценный металл стоит дороже золота, что мешает широкому применению перспективного водородного топлива. Американским ученым удалось избавиться от этого, самого дорогостоящего, компонента топливных элементов. Новый катализатор уже продемонстрировал высокую выходную мощность, хорошую эффективность и большой срок службы. При этом новый катализатор не только дает выходную мощность, сравнимую с "платиновыми" элементами, но и легче переносит резкие перепады в потреблении энергии, характерные для движущегося в городе автомобиля.
Углерод-железо-кобальтовый катализатор также оказался способен более эффективно преобразовывать водород и кислород в воду. По этому показателю новый катализатор уже превзошел самые современные катализаторы на основе платины. Повышенная эффективность означает, что внутри топливной ячейки образуется меньше перекиси водорода, которая может наполовину снизить выходную мощность и повредить мембраны топливных элементов. Следующим шагом команды ученых будет детальное изучение механизма работы нового катализатора и дальнейшее повышение доли недрагоценных металлов в перспективном источнике энергии.
Группа специалистов под руководством Чжуна Сюй (Jun Xu) – представителя Национальной лаборатории Оак Ридж, США, разработала новый тип высокоэффективных солнечных батарей. Они созданы на базе особых фотоэлементов, имеющих трёхмерную структуру. Основу этих фотоэлементов составляют полупроводники n-типа в форме конусов наноскопического размера (наноконов), сделанных из оксида цинка. Использование полупроводников такой формы усиливает способность батареи улавливать свет, и повышает количество отдаваемой электроэнергии примерно на 80 процентов, по сравнению с аналогами, имеющими такую же площадь. «Использование трёхмерной структуры батареи позволило особым образом распределить электрическое поле, что повысило эффективность при конвертировании солнечного света в электричество», - считает Чжун Сюй.
Среди новых разработок бытового назначения следует упомянуть зубную щетку с нанопокрытием, не требующую зубную пасту. На щетинки предмета гигиены, придуманного компанией Yumeshokunin, нанесен тонкий слой минералов, и для их «активации» требуется только смочить щетку водой. Создатели утверждают, что они использовали только те вещества, которые есть в человеческом организме. Состав и способ нанесения покрытия держится в секрете. Также, по утверждению японских ученых, нанопокрытие успешно заменяет зубную пасту, не только удаляя остатки еды, но и повышая гидрофильность зубов, чтобы слюна могла впоследствии отталкивать пищевой мусор. Изобретение ориентировано в первую очередь на деловых людей, у которых нет возможности чистить зубы после каждого приема пищи. Теперь же одной утренней чистки, по уверениям ученых, будет достаточно для поддержания гигиены.Наночастицы используют интенсивно и в продуктах питания, особенно в США. Наночастицы применяют для улучшения свойств пищевых добавок, усиления ароматизаторов и красителей, а также как антибактериальные средства при упаковке пищевых продуктов и посуды. Между тем, научное сообщество высказывает серьезную озабоченность по поводу безопасности применения нанотехнологий.
Нанотехнологии позволяют манипулировать материей на наноуровне (как правило, определяемом размером в 100 нанометров и меньше), и используются для создания новых продуктов. При таком малом масштабе, химические и физические свойства этих материалов изменяются и становятся гораздо более химически активными, чем их нормальные масштаба аналоги. Их размер позволяет им с большей вероятностью проходить через биологические мембраны, циркулировать по телу, и проникать в клетки. Это сочетание повышенной реактивности и биодоступность наночастиц, особенно тех, которые используются в пищевой и сельскохозяйственной продукции, создает риски для здоровья человека и окружающей среды, и эти риски до сих пор не полностью изучены. Потенциальные последствия также не всегда регулируются законами и государственными надзорными органами.
В течение 150 лет электрические свечи зажигания исправно поджигали топливную смесь в двигателях внутреннего сгорания. Японские ученые хотят заменить эту традиционную деталь автомобиля лазерной системой поджига топлива, что по мнению авторов этого инновационного предложения, сделает возможным переход к лазерному зажиганию и позволит производить более чистые, эффективные и экономичные автомобили. Ранее лазеры достаточно мощные, чтобы поджечь воздушно-топливную смесь в цилиндрах двигателя, были слишком громоздки - они просто не помещались под капотом автомобиля и требовали много энергии. Японские исследователи заявляют, что им удалось создать первую компактную «лазерную свечу зажигания», которая имеет размер винта в головке блока цилиндров. Один из авторов лазерной свечи зажигания, Такунори Тайра (Takunori Taira) из Японского Национального института естественных наук, рассказывает, что новая лазерная система изготовлена из керамики и может производиться в больших объемах и по невысокой цене.
В заключение можно констатировать, что число инноваций увеличивается в геометрической прогрессии, и их промышленное освоение весьма реально и перспективно во всех областях нашей жизни.