Памяти нашего отца и деда Ивана Ивановича

Введение

Несомненно, нанотехнология остается ключевым понятием начала XXI века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

Нанонаука продолжает стремительно развиваться. Разрабатываются новые устройства и материалы, появились новые термины и определения, произошел ряд знаковых событий у нас в стране и за рубежом в этой области.

Здесь приводятся базовые термины и определения, исторические аспекты развития научного направления, рассматриваются некоторые природные наноэффекты и виды наноструктур, а также методы их искусственного получения, приводятся примеры практического использования нанотехнологий в энергетике и электронике, машиностроении и строительстве, медицине и косметологии, сельском хозяйстве, военной промышленности и т. д.

Большое внимание уделено реальным достижениям практической нанотехнологии, в основном отечественной науки и производства, более подробно рассказывается об исследованиях и достижениях наших соотечественников (как в России, так и за рубежом).

Нам хотелось бы представить вашему вниманию достаточно простую книгу, чтобы она была интересна и полезна школьнику и пенсионеру, аспиранту и бизнесмену, чтобы ее можно было почитать в библиотеке или аудитории, дома или в пути, а что из этого получилось – судить вам, дорогие читатели.

Надеемся, что при чтении каждый из вас сможет сделать для себя неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

С уважением,

Виктор Балабанов,

Иван Балабанов

Глоссарий

А

Абляция (лат. ablatio – отнятие) – многозначный физический термин, обозначающий процесс сноса вещества с поверхности твердого тела обтекающим потоком. В физике твердого тела – удаление (испарение) вещества с поверхности под воздействием лазерного излучения.

Агрегация (лат. aggregatio — присоединение) – 1) процесс объединения элементов в одну систему; 2) объединение, симулирование каких-либо однородных показателей с целью получения более общих показателей.

Аденовирус (adenovirus, лат. adeoides, от греч. ade — железа и лат. virus — яд) – представитель группы ДНК-вирусов, вызывающий у человека инфекционные заболевания верхних дыхательных путей, напоминающие обычную простуду, желудочнокишечные инфекции или одну из разновидностей раковых опухолей. Приставка «аден-» (aden-) указывает на связь объекта с железой или железами.

Адроо́н (древнегреч. адрос – сильный, тяжелый) – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными с точки зрения кварковой теории (см. Кварк).

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) – процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела.

Актюатор (англ. actuator — привод, пускатель) – исполнительное устройство, передающее воздействие на объект. В технике под актюатором обычно понимается преобразователь входного сигнала (электрического, оптического, механического и др.) в выходной сигнал (см. Наномотор), действующий на объект управления. Актюаторами являются: электродвигатели, электрические, пневматические и гидравлические приводы, релейные устройства и т. д.

Аллотропия (греч. аллос — иной, тропос – поворот, свойство) – существование одного и того же химического элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

Ассемблер (наноассемблер, конструктор) (англ. assemble — собирать) – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе производить (собирать) из набора атомов молекулы путем механохимии. Ассемблер включает в себя мощный нанокомпьютер, комплекс наноманипуляторов и наносенсоров, то есть это молекулярная машина, которую можно запрограммировать на построение практически любой молекулярной структуры или устройства из более простых химических строительных блоков, подобие управляемого компьютером механического цеха.

Атом (древнегреч. атомос — неделимый) – частица химического элемента, сложное, делимое тело. Атом состоит из облака электронов, окружающих плотное ядро, которое в тысячи раз меньше, чем сам атом. Наномашины будут работать не с ядрами, а с атомами.

Атто… (лат. atten — восемнадцать) – приставка к наименованию единицы физической величины, служащая для образования дольной единицы, равной 10¹⁸ от исходной. Сокращенное обозначение: русское – а, международное – а. Например, 1 ас (аттосекунда) = 10¹⁸ с.

Аэрогель (от лат. aero — воздух и gelatus — замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают одновременно рядом уникальных свойств: очень низкой плотностью, высокой твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т. д. Известны аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, углерода, оксидов хрома и олова.

Б

Балк-технология (англ. bulk-technology) – технология, основанная на манипуляции совокупностями атомов и молекул (массовая технология или материал), а не индивидуальными атомами.

Белок зеленый флуоресцентный (англ. green fluorescent protein, GFP) – белок, обладающий зеленым свечением при освещении светом определенной длины волны. Впервые был выделен из медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. GFP стал одним из важнейших инструментов в биохимии, молекулярной биологии и бионанотехнологии.

В

Вирус (лат. virus — яд) – частица микро– или наноразмеров, способная инфицировать клетки живых организмов. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Вирусы являются потенциальными объектами для использования в бионанотехнологиях.

Вискеры (от англ. whisker — волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) – нитевидные кристаллы с диаметром от 1 до 10 мкм и отношением длины к диаметру больше 1000, являются одним из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств.

Г

Геомодификатор (греч. геос — земля) – специальная микро– или нанодобавка в топливно-смазочные материалы и технологические среды на базе минералов геологического (реже – искусственного) происхождения, которые могут вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения.

Гетероструктура (греч. гетеро – союз, товарищество) – комбинация нескольких гетеропереходов (контакт двух разных полупроводников), используемая для создания потенциальных ям для электронов и дырок в слоистых полупроводниковых структурах и применяемая в полупроводниковых лазерах и светоизлучающих диодах.

Графен – углеродный наномонослой, в котором связи C–C образуют правильные графитовые шестиугольники («пчелиные соты»).

Д

Дендримеры (греч. дендрон — дерево, англ. dendritic — ветвящийся, древовидный) – относительно новый класс химических соединений (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующихся при соединении молекул, которые обладают ветвящейся структурой (древообразные полимеры).

Дизассемблер – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе отделять атомы от молекул, записывая при этом их месторасположение на молекулярном уровне. Пара «ассемблер – дизассемблер» сможет создавать копии любых макрообъектов.

Диссипация (лат. dissipatio – рассеяние) – процесс необратимого рассеивания (или возврата) энергии, полученной системой в различных процессах (например, при трении).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – молекула, содержащаяся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. Представляет собой полимерный остов из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому прикреплены азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин). Молекула ДНК – это двойная нуклеотидная наноцепь с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм. Она является носителем генетической информации и наследственных признаков и заряжена отрицательно, так как фосфат в ее составе несет отрицательный заряд.

Дуга фуллереновая – дуговой метод получения фуллеренов, основанный на термическом разложении графита при электролитическом нагреве графитового электрода или лазерном облучении поверхности графита.

З

Золь-гель технология – технология получения микро-и наноструктурированных материалов из коллоидного раствора в процессе конденсации и образования полимерной пространственной сети с жидкой фазой (геля). Дальнейшее применение этой технологии позволяет, в частности, получать аэрогели (см. Аэрогель).

И

Индентор (англ. indentation – вдавливание, идентирование, лат. into – внутрь) – твердый предмет определенной геометрической формы (шар, конус, пирамида) и размеров, вдавливаемый в поверхность исследуемого материала под действием заданной нагрузки или собственного веса (для измерения твердости). Изготавливают обычно из алмаза, сапфира, твердого сплава и т. п.

К

Кантилевер (англ. cantilever – консоль) – устоявшееся название наиболее распространенной в сканирующей атомносиловой микроскопии конструкции микромеханического подвижного зонда, которая служит для измерения отклонения зонда и позволяет изучать диэлектрические материалы.

Квант (лат. quantus — сколько) – неделимая часть материи. Например, квант света – элементарная часть (порция) света, то же, что фотон. В основе понятия лежит представление о том, что любая физическая величина может принимать только определенные, а не произвольные значения (то есть физическая величина квантуется).

Кварк (англ. quark — предположительно звукоподражание крику морских птиц) – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/з, не наблюдается в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в том числе протон и нейтрон.

Кевлар (англ. kevlar®) – синтетическое волокно прочнее большинства сталей, создано американской фирмой Du Pont de Nemours & Co. Один из самых прочных материалов, доступных на рынке. Используется в аэрокосмическом конструировании, пуленепробиваемых жилетах и в случаях, когда требуется обеспечить высокую прочность при малой массе.

Кибернетика (древнегреч. кибернетике — искусство управления; древнегреч. кибернао — правлю рулем, управляю; древнегреч. кибернитис — кормчий) – наука об общих законах управления, получения, хранения, передачи и переработки информации в машинах, организмах и обществе.

Киборг (от англ. cybernetic organism — кибернетический организм) – биологический организм, содержащий электронные и механические компоненты. В ряде случаев, наоборот, подразумевается робот, содержащий биологические структуры, например мозг.

Кластер (англ. cluster – объединение) – совокупность двух или более однородных элементов (атомов или молекул), которая может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.

Клейтроника (англ. clay – глина, claytronics – «умная» глина) – новая область в науке и технологии, рассматривающая возможность сборки различных конструкций из отдельных унифицированных строительных блоков-роботов микроскопических размеров.

Когнитивность (лат. cognitio — познание, изучение, осознание) – термин, используемый в нескольких различных контекстах; обозначает способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.

Коллайдер (англ. collide — сталкиваться) большой адронный (Large Hadron Collider, LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) с целью изучения продуктов их соударений. Построен под Женевой (на границе Швейцарии и Франции) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) и на настоящий момент, является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Композит (композиционный материал) (лат. compositio — составление) – многокомпонентные материалы, состоящие из керамической, полимерной, металлической, углеродной или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и других материалов.

Конгломерат (лат. conglomeratus – скопившийся, собранный, скученный) – механическое соединение чего-либо разнородного.

Конденсат Бозе – Эйнштейна — среда из суперхолодных элементов, которые отталкиваются друг от друга, находясь в одном-единственном низкоэнергетическом квантовом состоянии (фактически пятое состояние вещества). Подобное явление наблюдается в экситоне.

Кондиционер (рекондиционер) металла (поверхности) (англ. condition