Молибденова синь или серая слизь?Автор: Леонид Левкович-Маслюк Цель нашей беседы с химиком из МГУ Евгением Гудилиным - уяснить простую вещь: что приходит в голову специалисту-научнику, когда он слышит слово "нанотехнологии". Подчеркнем - именно действующему ученому или инженеру, а не научному обозревателю, не аналитику рынков хайтека, не писателю-визионеру.За окном все громче завывает "нано-пурга" [Термин Алексея Шварева] - брэнд "нано" раскручивается во всем мире н-н-нанонарастающими темпами. Чтобы не стать безвольной жертвой "хайпа", очень полезно знать, что понимает под нанотехом практикующий исследователь. Тот, кто с ходу напишет все относящиеся к делу формулы. Тот, кто знает, что и куда подсыпать и подключить, что и как вскипятить или заморозить, чтобы это самое нано где-то там зашевелилось и зажило. Мой 38-летний собеседник, в прошлом году удостоенный звания члена-корреспондента РАН, - инсайдер наноотрасли. Он активно работает (как правило, в содружестве с еще более молодыми коллегами, студентами и аспирантами) над целым рядом задач, связанных с процессами, идущими на нанометровых масштабах. Гудилин много занимается образовательными проблемами, он заместитель по учебной работе декана факультета наук о материалах МГУ, профессор химфака. Серьезно участвует и в работе созданного ФНМ МГУ и Центром Передовых Технологий вебсайта www.nanometer.ru, который быстро стал одним из наиболее вменяемых информационных ресурсов по теме и имеет все шансы превратиться в привлекательную площадку для профессиональных дискуссий. ПРОЛОГ, ИЛИ "УБЕЙ СТРУЙНИК - И НАПЕЧАТАЙ ПРОЦЕССОР"Мир "нано" сулит нам массу неожиданностей. Одна из них - оказывается, поупражняться в доморощенном нанотехе может каждый. Ну, почти каждый. И для этого не всегда нужны большие деньги. Евгений Гудилин рассказывает об одном из возможных нанопроектов: - …Многие зарубежные компании, в том числе Samsung и Degussa (крупнейшая химическая и нанотехнологическая компания Германии), развивают направление, связанное с микропечатью всевозможных устройств - гибких дисплеев, сенсоров, радиочастотных антенн-идентификаторов, солнечных батарей, пленочных химических источников тока (трехмерная печать дополняет этот список мембранами и другими керамическими изделиями сложной формы, медицинскими имплантатами и т. д.). Струйный способ печати, другие модификации микропечати универсальны - разработка прототипов и выпуск готовых устройств полностью автоматизированы, - и очень привлекательны по соотношению цена/качество. В России эта технология вполне реализуема: важнейшие компоненты расходных материалов - это нанопорошки и полимеры, а их мы хорошо умеем делать. Фундаментальных и технических проблем здесь много, но понять принцип нетрудно. На днях (разговор был в начале июля. - Л.Л.-М.) наши студенты взяли дешевый струйный принтер, купили пустой картридж, залили туда суспензию, содержащую наночастицы, и теперь пытаются напечатать что-нибудь содержательное. Для начала - хотя бы сделать проводящие дорожки из наночастиц (см.рис. справа). Обычный струйник для этого вполне пригоден, ведь чернила - это особая взвесь частиц размером менее 50 нм. В планах - купить спецпринтер (хотя он стоит уже не полторы тысячи, а полтора-три миллиона рублей, в зависимости от насадок и прочего), чтобы дальше развивать это направление. ![]() Но ведь очень интересно посмотреть, что полезного можно напечатать наночастицами и на простом струйнике! Предлагая эту тему ребятам, я не исключал, что работа над ней может привести даже к созданию компании-стартапа. Вокруг нанотехнологий напущено много тумана, но на самом деле сделать наночастицы сравнительно легко (по крайней мере химикам). Если в автоклаве сильно нагреть воду, она станет хорошим растворителем, пригодным для так называемого гидротермального синтеза, и с его помощью уже делают десятки видов наночастиц. Поэтому можно развивать очень любопытные и недорогие проекты, причем отчасти на "подручных материалах". Есть и еще более простые способы - вот школьный опыт, который показывает, что наночастицы может получить каждый (правда, далеко не каждый может получить наночастицы с заданными свойствами и детально их исследовать). Есть такое удобрение - парамолибдат аммония. Если вы растворите его в воде, добавите уксуса и бросите туда цинк, то раствор моментально посинеет - образуется молибденова синь, состоящая из наночастиц довольно простого состава на основе гидратированного оксида молибдена. Это пример электрохромного материала: если не добавлять цинк, а прикладывать напряжение, цвет тоже изменится. Поэтому, если наночастицы такого материала нанести на бумагу в виде сеточки, к которой напряжение в несколько вольт подводится дорожками из прозрачного проводника (такие чернила уже делаются, скажем, в Японии и могут быть сделаны и у нас), то при включении тока на бумаге появится нужный текст или картинка, а при выключении поверхность обесцветится от контакта с воздухом. В потенциале это дешевая электронная бумага. Вот вам один вариант развития опытов с "разломанным струйником". ![]() Есть и совсем простой путь - делать чернила для струйника с такими наночастицами, которые бы позволяли "юному нанотехнологу" печатать не очень маленькие, но настоящие работающие электронные схемы по собственным спецификациям. В образовательных целях это было бы очень полезно. А в Science уже были сообщения о микропечати люминесцентных структур квантовыми точками. Что дальше?.. НанофилософияДальше, видимо, начинается инновационная экономика - но на эту малоизученную территорию мы сегодня не зайдем. Прежде чем приступить к инвентаризации наноотраслей, нам с читателями нужно сориентироваться в базовых понятиях. "Нанотехнологии, - говорит Евгений Гудилин, - это новый взгляд на давно известные вещи. Любые объекты и материалы можно изучать на разных пространственных масштабах. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень "микро" (характерный размер - микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб "мезо". Что касается "нано", IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) постановил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм), то мы говорим о наносистеме - это и есть уровень наномасштабов. Логичнее было бы определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов - изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Принципиальная важность наносистем заключается именно в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуется большинство самых интересных для химии и физики взаимодействий". ![]() Евгений предлагает такое сравнение. В эпоху путешествий, великих географических открытий люди изучали двухмерную поверхность Земли. Когда поднялись в космос - это был выход в третье измерение. Когда стали изучать быстротекущие, фемтосекундные процессы и одновременно динамику на астрономических интервалах времени - взялись за четвертое измерение, шкалу времени. Сейчас в нашем поле зрения пятое измерение - мы движемся по шкале пространственных масштабов. Отсюда и мысли, что эти работы могут создать новую парадигму исследований, привести к научно-технологической революции. Однако, по мнению Гудилина, речь может идти только о революции в понимании сути различных процессов и улучшении технологий производства: вряд ли в этих исследованиях будет обнаружено нечто эпохально новое. Измерения в пятом измеренииЛюбопытно, что вейвлет-анализ - математический аппарат для расцепления структуры объектов (процессов) на разных пространственных (временных) масштабах - возник почти одновременно с пионерскими лозунгами "нано". В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера "Машины созидания", сделавшая нанотех фактом "общественного сознания". В 1984 году появилась первая работа, где был введен термин "вейвлет". Вскоре заговорили о "вейвлет-революции", а в 2000 году авторитетные комментаторы уже включили вейвлет-анализ в топ-десятку математических успехов ХХ века. В 1998 году "КТ" посвятила вейвлет-анализу целый номер (см."КТ" № 236). Многие ожидания, связанные с этим аппаратом, с тех пор вполне оправдались. В частности, новые, экономичные форматы представления изображений на основе вейвлетов включены в стандарт JPEG-2000. Сейчас идет интенсивное развитие обобщений вейвлет-анализа, нацеленных на детальный анализ трехмерной геометрической структуры сложных объектов.
Осмотр на местеКак выяснилось, Евгений - большой ценитель творчества издавна почитаемого в "КТ" Станислава Лема, особенно - знаменитого технологическими прогнозами романа "Осмотр на месте". Ответы Евгения на мои настойчивые расспросы ("а это тоже нанотехнологии? а это? а вот это?..") ниже скомпонованы в нечто, напоминающее по форме тот самый отчет Ийона Тихого об ошустренном мире. Нанороботы: лапки, глазки, серая слизьДавайте начнем с главного - с нанороботов? Почему же ничего, кроме вирусов, не годится на эту роль? Наверное, и количественно не получается втиснуть в нанообъем все эти механизмы, процессоры? Нанобиотех: капсулы вместо роботовЧто, по-вашему, самое перспективное в сегодняшнем нанотехе? На пластинке из пьезокварца, как известно, можно "взвешивать" молекулы. Пластинку покрывают слоем белка, который повышает селективность к тем или иным биомолекулам, и получается необыкновенно чувствительный биосенсор - это тоже из области нанобиотеха. ![]() Усиленно разрабатывается очень важная для медицины технология нано- и микрокапсул (размером от микрон до 20 нм). Они представляют собой кусочки вещества, которое может обладать магнитными или другими функциональными свойствами и имеет большую площадь поверхности. Его можно одеть в "шубу" из белка, из полимера, полисахаридов, гидроксильных радикалов, потом, как говорят, "векторно" доставить в нужное место организма, а если надо - еще и разогреть, чтобы стимулировать действие лекарства. Чем это хуже наноробота? Ничем. Только здесь нет футуристических фантазий про глазки и лапки. Еще один сюжет на стыке "нано" и медицины - визуализация. Например, наши коллеги с физфака МГУ, сотрудничающие с Онкоцентром имени Н. Н. Блохина, создают магнитные наночастицы, содержащие гадолиний. Частицы рассеиваются по организму, но их можно целенаправленно собирать в исследуемом органе - и благодаря гадолинию этот орган очень хорошо виден с помощью МРТ-томографии. А с помощью магнитного поля можно проводить и гипертермию - разогревать раковую опухоль. Причем здесь очень важно, чтобы использовались именно наночастицы - частицы большого размера будут вызывать тромбы. Все это замечательно, но нанокапсулы уже существуют? Продаются в аптеках? Но как я хохотал, наткнувшись на рекламу фирмы, которая продает именно такие частицы оксида железа, как я только что рассказывал, - полученные простым смешиванием содержимого двух банок! Продают под лозунгом: нанодисперсный оксид железа излечит все ваши болезни (включая депрессивные состояния у женщин и даже простатит)! Это к тому, что продавать, конечно, можно - вопрос в том, какой эффект даст такой препарат. В данном случае - никакого. Настоящая проблема - в том, чтобы подобрать наночастицы с определенными свойствами (магнитными или другими), которые могли бы решить нужную вам задачу. ![]() Что касается серьезных проектов лечения с помощью нанокапсул и магнитных жидкостей - они пока находятся в экспериментальной стадии. Научных (и очень интересных!) статей множество, однако на практике речь идет в лучшем случае об испытаниях ключевых принципов на животных и растениях. Из недавних популистских сообщений: группа немецких ученых осуществила магнитную доставку лекарств в легкие мыши с помощью магнитных наночастиц в микрокаплях воды из ингалятора (июль 2007 г.); корейские медики испытали (в пробирке) доставку лекарства, убивающего раковые клетки человека, с помощью магнитных наночастиц (июнь 2007 г.) и пр. На нашем сайте www.nanometer.ru мы частично отслеживаем сообщения по этой тематике, а "форумисты" дают очень компетентные и часто острые комментарии - по ним легко понять истинное положение дел. Информатика: магнитные нити и квантовые точкиЧто же в нанотехе связано с нашей любимой информатикой? За исключением, конечно, нанометровых технологических процессов изготовления интегральных схем - об этом мы и так пишем достаточно. ![]() Как видите, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и "размерность" (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, "интеграция" свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий - новое качество обычно получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано. Поэтому, занимаясь нанотехнологиями, мы не можем ограничиться только химией или только физикой. Нанотех - междисциплинарная область исследований. Отметим еще полевые транзисторы на углеродных нанотрубках - важное для наноэлектроники направление. Углеродные нанотрубки легко получать, и им находятся все новые и новые применения. Но еще ближе к созданию промышленных устройств подошли разработки на квантовых точках - хотя это уже не столько информатика, сколько оптика. Информатика тоже, ведь квантовые точки - один из кандидатов на элементную базу квантового компьютера. Энергетика: апдейт противогаза и керамика в эпоксидкеО чем еще вспоминает специалист при упоминании нанотехнологий? Вообще катализаторы (вещества, резко ускоряющие ход реакций) - это классическая область химии, которая тесно связана с наночастицами, потому что катализатор должен иметь большую площадь поверхности - хотя бы сотню квадратных метров на грамм! У нас на факультете наук о материалах студенты работают с изопористым диоксидом кремния - там площадь поверхности достигает двух тысяч квадратных метров на грамм. ![]() Здесь, как и вообще в нанотехнологиях, очень важны не просто наночастицы, а наноструктурированные материалы: например, микростержень, на котором растут "нанолисточки". Когда-то Зелинский изобрел противогаз на основе диоксида марганца и оксида меди (гопкалит), в котором угарный газ превращался в СО2. Если эту идею немного додумать, то уже сейчас можно получить нечто полезное для ТЭ. Пусть ваш ТЭ использует метанол и кислород. Полупродуктом окисления метанола является СО. А это страшнейший яд для платины-катализатора. Но если бы удалось платину "посадить" на поверхность кристаллического уса (вискера), содержащего диоксид марганца, то носитель убивал бы яд, опасный для основного катализатора! Это - пример наноструктурированной системы, где есть уровень "нано" (катализатор), уровень "микро" (микронного размера усы, содержащие оксид марганца), а также уровень "макро", когда вы все делаете в виде бумаги, содержащей платину и гибкие вискеры, и каждый уровень по-своему важен и выполняет специфические функции. Все вместе дает материал для ТЭ - платинированную марганец-содержащую бумагу (мы сейчас работаем над таким проектом по Федеральной целевой программе). В связи с водородной энергетикой тоже идет активный поиск катализаторов для фотодиализа воды - разложения ее на водород и кислород за счет солнечной энергии. Большие усилия направлены и на улучшение солнечных батарей с помощью наночастиц. Исследуются разные вещества - в том числе сочетания фуллеренов с органическими веществами, диоксидом титана и другими. КПД таких установок растет, но пока они очень дороги. Солнечные батареи, катализаторы для ТЭ - это все-таки улучшение того, что уже есть. А вот сверхпроводимость - это же новое качество в энергетике! Нанотех здесь применяется? А вот что. Вихри Абрикосова - очень небольшие по размеру. Желательно, чтобы центры пиннинга ("пришпиливания" вихря) были неподвижны. Поэтому порождающие их несовершенства структуры должны иметь как раз наноразмеры. И именно такие включения обнаружились в неодим-содержащих бариевых купратах. Берется твердый раствор (кристаллическая решетка, в которой часть атомов заменена на другие) - и он при определенной термообработке расслаивается, образуя "паркетную" наноструктуру. Она состоит из областей - нанофлуктуаций состава. Там, где больше неодима, возникают несверхпроводящие участки. Там, где меньше неодима, возникает сверхпроводимость. Получаются высокоэффективные центры пиннинга. Группа японских авторов "вморозила" с помощью такой системы сумасшедшее магнитное поле - 14 или 15 тесла! При этом крупнокристаллический высокотемпературный сверхпроводник был залит эпоксидной смолой и помещен в железную шайбу, чтобы магнитное поле не разорвало хрупкую керамику. ![]() Спрашивается - это наноматериал? Нет! Напротив, это крупнокристаллическая керамика (размеры "зерен" до нескольких сантиметров!). Там нет наночастиц. Но там есть нанофлуктуации состава, встроенные в общую иерархию пространственной структуры. Эта замечательная работа, кстати, была сделана еще до бума нанотехнологий. Между прочим, висмутсодержащие сверхпроводники с нанофлуктуациями состава используются для сверхпроводящих тоководов. Эти материалы прокатываются в ленты, из них делают многожильные кабели, ряд фирм уже выпускает такую продукцию. Сверхпроводящие тоководы работают внутри силовых подстанций и в Германии, и в Штатах, и в Японии. Это очень дорого - и материалы дорогие, и сама линия охлаждается жидким азотом или жидким водородом. Но за длительное время все это может окупиться, благодаря уменьшению энергопотерь. Просто белилаТо и дело слышим, что некая фирма начинает - "на основе нанотехнологий!" - производить краски, которые обеззараживают воздух и уничтожают вредные примеси. Но ведь такие краски уже лет десять как можно купить в магазине - рублей по сто за банку. Это обычные титановые белила. TiO2 - полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Грубо говоря, если он находится в воде (или контактирует с прилегающим слоем воздуха), то под действием ультрафиолета начинается генерация радикалов, которые убивают органическую грязь. Значит, если взять частицы этого вещества с большой суммарной площадью поверхности, поместить в воду и облучить ультрафиолетом, произойдет очень эффективная очистка воды (при условии, конечно, что вы сможете потом эти частицы отфильтровать). А если нанести титановые белила на стену, то когда солнышко ее осветит, там тоже, возможно, будут убиты очень многие микроорганизмы - либо самим солнцем, либо TiO2, кто потом докажет? Вот пример того, что за модным лозунгом могут скрываться давно известные вещи - просто их раньше не связывали с нанотехом.
Экология и новые материалы: титановые белила и ультрагвоздиДавайте кратко перечислим, что еще не упомянули? С другой стороны, бытовые титановые белила все-таки не из наночастиц состоят - а более эффективные нанопорошки с обеззараживающими свойствами сделать на порядки труднее и дороже, так как эти свойства зависят не только от состава, но и от формы частиц, их срастания с частицами другой фазовой модификации, состава поверхности и многого другого. Ну а сам-то нанотех представляет угрозу для экологии? Но они же не наночастицы едят? ![]() В США и Европе в обществе (в частности, у гринписовцев, антиглобалистов) существуют устойчивые антипатии к "нано", есть целые организации, которые борются с нано, и в то же время есть фанатики нано - целый спектр радикальных мнений. К сожалению, у нас пока все только кричат "ура!" при слове "нанотехнологии" и в то же время слепо (но молча) их боятся. В заключение надо хотя бы упомянуть новые конструкционные материалы. Это огромное поле иследований. Простейший пример: любая металлическая отливка - поликристаллическая, то есть состоит из зерен. Если эти зерна измельчать - механически, термомеханически - то в принципе можно дойти до уровня, когда весь, предположим, гвоздь будет иметь ультра- (я даже не говорю нано- ) дисперсную структуру. Такая структура обеспечит ему меньшую пластичность, но большую жесткость. Так можно получить серьезное - раза в два-три - но не заоблачное улучшение параметров материала. Однако стоимость его значительно возрастет. О конструкционных материалах можно рассказывать долго - но лучше просто назвать еще несколько исследовательских направлений, связанных с нанотехом: наноионику (в частности, электродные материалы на неуглеродных нанотрубках), "умные материалы", меняющие форму в зависимости от того, чем их облучают, наноэлектромеханические системы, НЭМС - на таком моторчике ездил сделанный в Университете Райс (Rice University) наноавтомобиль с колесами из фуллеренов, и др. Реалистичный футуризмВ каких же из перечисленных областей вы ожидаете самого заметного прогресса в ближайшие пять лет? В медицине самые важные применения нанотеха будут связаны с нанокапсулами. Уверен, что удастся существенно улучшить фармакологические формы лекарств и средства их доставки. Будут исследованы основные аспекты взаимодействия наночастиц с живым организмом, и на этой основе появятся принципиально новые лекарства. Но это потребует долгого изучения, так как область малоисследованная и очень рискованная. В энергетике можно ждать успехов с топливными элементами; может быть, появятся гораздо более эффективные солнечные батареи. И конечно - наноэлектроника, здесь должен быть стремительный прогресс. Думаю, что могут быть хорошие достижения в области композитов, конструкционных материалов. У Артура Кларка в одном из романов центральную роль играет лифт на сверхлегких, сверхпрочных тросах, идущий с поверхности Земли на высоту геостационарной орбиты (36 тысяч километров над экватором). Проект "космического лифта из нанотрубок" я считаю чистой фантастикой, но под этим лозунгом, возможно, будут делаться хорошие композиты - прочные, легкие. В частности, что-нибудь интересное обязательно сделают с нанотрубками. Их прочность определяется только прочностью связей углерод-углерод, нанотрубки примерно в двадцать раз прочнее стали и раз в десять легче. Но все равно космический лифт окажется слишком дорогим! Скорее, такие нити будут вводить в композиты, делать с их использованием бронежилеты, небьющиеся стекла, ракетки для тенниса и пр. И наконец - но в более далекой, чем пять лет, перспективе - серьезный акцент будет сделан на том, что уже сейчас считается страшно важным в США, Европе, Японии: это всевозможные чувствительные элементы, сенсоры, "электронный нос" (сами-то сенсоры скорее всего будут не нано-, а микроразмеров). Впрочем, приницпиально новые устройства предсказывать не берусь. Тогда же можно ожидать появления покрытий, делающих самолеты и корабли "невидимыми" в том или ином диапазоне излучений, хотя очень трудно сказать, какова будет в этом роль нанотеха. Более реалистичное дело - одежда с необычными и полезными свойствами. Совместите ткань с наночастицами, свойства которых вы сможете задать и контролировать, - и получите "умную одежду" (но, конечно, не плащ-невидимку или супербронежилет - нельзя нарушить законы природы и прыгнуть выше головы). Например, если такая одежда содержит серебро, то она будет заживлять раны. Можно сделать так, чтобы она была гидрофобной и самоочищалась. Это, конечно, практически важно, но не революционно. Боюсь заглядывать далеко, потому что я по природе пессимист и осторожный человек и не хочу давать прогнозы, которые могут не сбыться. В заключение повторю свой основной тезис. Нанотех не есть нечто принципиально новое. Это не революция, а усовершенствование. Нанотех - это попытка как можно глубже понять очень важный отрезок пространственной шкалы организации материи. На этом отрезке сочетаются те факторы, которые управляют важнейшими процессами преобразования самого вещества и энергии в веществе. По-настоящему интересно именно это, а не какие-то мифические нанороботы. Фотографии, где не указан автор, предоставлены факультетом наук о материалах МГУ.
|