Дзівосны лотас і фізіка

Тое, што яшчэ нядаўна здавалася фантастыкай, сёння становіцца рэальнасцю, прычым не толькі ў навуковых лабараторыях, але і ў штодзённым жыцці. Гаворка ідзе аб нанатэхналогіях, якія, імкліва развіваючыся, абяцаюць чалавецтву сапраўдную рэвалюцыю ў навуцы і тэхніцы.
І сёння мы хочам расказаць абітурыентам аб асноўных напрамках развіцця нанатэхналогій: для многіх з іх гэта будзе проста пазнавальна, а некаторыя, магчыма, звернуць больш пільную ўвагу на новыя спецыяльнасці, звязаныя з нанатэхналогіямі.

“Там унізе поўна месца”

Тэмпы навукова-тэхнічнага прагрэсу ў апошнія дзесяцігоддзі сталі залежаць ад выкарыстання штучна створаных аб’ектаў (наначасціц) з памерамі, роўнымі адной мільярднай долі метра (ці, што тое ж самае, адной мільённай долі міліметра). Няўзброеным вокам чалавек здольны ўбачыць прадмет дыяметрам прыкладна 10 тысяч нанаметраў. Матэрыялы, у структуры якіх прысутнічаюць аб’екты з памерамі 1—100 нм, называюць нанаматэрыяламі, а спосабы іх вытворчасці і прымянення — нанатэхналогіямі.

Уласцівасці наначасціц вельмі часта адрозніваюцца ад уласцівасцей аб’ёмных матэрыялаў, якія маюць той жа хімічны састаў. Напрыклад, пры памяншэнні памераў часціц могуць змяняцца тэмпература плаўлення, магнітныя ўласцівасці. Гэта абумоўлена тым, што пры “здрабненні рэчываў” павялічваецца плошча паверхні, якая прыходзіцца на адзінку аб’ёму рэчыва, і ўзрастае доля атамаў, што знаходзяцца на паверхні. Калі мы “падзелім” кубік з даўжынёй канта 1 см, плошча паверхні якога 6 см 2 , на тысячу маленькіх кубікаў з даўжынёй канта 1 мм, то плошча іх паверхні будзе ўжо 60 см 2 (што не так і многа). Але калі падзяліць той жа кубік на мноства кубікаў з даўжынёй канта 1 нм, то сумарная плошча іх паверхні будзе крыху меншай за 1 гектар, прычым прыблізна палова атамаў у гэтых наначасціцах будзе атамамі, размешчанымі на паверхні.

Якія ж асноўныя напрамкі выкарыстання дасягненняў нанатэхналогій, перспектывы іх развіцця? Можна вылучыць наступныя галіны, у якіх нанатэхналогіі прынеслі найбольш прыкметны на сёння вынік: стварэнне ахоўных і самаачышчальных пакрыццяў, медыцына, нанаэлектроніка, нанафатоніка, энергазберагальныя тэхналогіі. Разгледзім коратка кожную з гэтых галін і заадно паглядзім, як звязаны паміж сабой лотас, нанатэхналогіі і фізіка.

“Эфект лотаса”

Здаўна кветка лотаса лічыцца сімвалам незаплямленай чысціні, таму што лісце і пяшчотна-ружовыя пялёсткі лотаса нават у бруднай ціне вадаёмаў застаюцца вельмі чыстымі. Лотас — адзін з найважнейшых сімвалаў многіх старажытных культур. Напрыклад, у часы фараонаў ён быў сімвалам Ніжняга Егіпта і царскай улады: кветку лотаса насіла Неферціці. У індуізме і будызме лотас — адзін з асноўных сімвалаў касмагоніі, ён увасабляе чысціню, мудрасць, нірвану і многае іншае. У Кітаі кветка лотаса абагаўлялася яшчэ з часоў даасізму, а затым яе культ трывала ўвайшоў у будысцкую рэлігію і нацыянальную культуру.

І вось у сярэдзіне 70-х гадоў нямецкія вучоныя-батанікі Бонскага ўніверсітэта Вільгельм Бартхлот і Хрыстафер Найнуіс пры дапамозе электроннага мікраскопа раскрылі з’яву самаачысткі лісцяў і кветак некаторых раслін. Аказалася, што гэты феномен тлумачыцца тым, што лісце лотаса пакрыта найдрабнейшымі пірамідкамі воскападобнага (гідрафобнага) рэчыва, якое “адштурхоўвае” ваду. Вада, трапіўшы на паверхню такога ліста, не расцякаецца па ім роўным слоем, а разбягаецца на дробныя кропелькі, гэтак жа, як можа разбегчыся вялікая кропля ртуці. Кроплі вады збіраюць на сябе гразь і спадаюць разам з ёю пры павевах ветру.

Відавочная карыснасць “эфекту лотаса” прывяла да таго, што эфект быў “скапіраваны” ў прыроды і выкарыстоўваецца ў тэхніцы стварэння самаачышчальных паверхняў. З’явілася нават заканадаўча абароненая гандлёвая марка — Lotus-effect (эфект лотаса). Ахоўныя пакрыцці, створаныя з выкарыстаннем нанатэхналогій, наносяцца на розныя часткі аўтамабіляў, самалётаў, камп’ютараў, бытавой тэхнікі. Плёнкі могуць абвалакваць кожнае асобнае валакно любой тканіны, як натуральнай, так і сінтэтычнай, пасля чаго вільгаць і гразь не пранікаюць у валокны, а збягаюць па паверхні. Яны выкарыстоўваюцца для паляпшэння фізіка-хімічных уласцівасцей розных матэрыялаў: шкла, фаянсу, каменю, бетону, пабелкі, цэглы, прыроднага каменю, скуры, тэкстылю і інш. На порыстых паверхнях наначасціцы пранікаюць у поры і як бы высцілаюць іх знутры, значна памяншаючы ці зусім не дапускаючы пранікнення ўнутр розных мікраарганізмаў: грыбкоў, лішайнікаў, водарасцяў і інш. Пры гэтым узаемадзеянне тканіны са скурай чалавека не змяняецца. Наносячы ахоўныя плёнкі на паверхні розных дэталяў машын, можна павялічыць іх зносастойкасць, захаваць ад карозіі.

Такое прымяненне плёнак вельмі карыснае і практычнае, але… празаічнае. Хаця іншы раз на плёнках розных сплаваў могуць фарміравацца прыгожыя структуры, якія нагадваюць кветкі. Напрыклад, на фатоздымках, атрыманых на электронным мікраскопе начальнікам аддзела НДЧГУН БДУ Л.В.Баран, бачны структуры, якія сфарміраваліся на паверхні плёнкі сплаву, што змяшчае фулерэны. Пялёсткі гэтых “кветак” маюць таўшчыню, роўную некалькім дзясяткам нанаметраў.

Робаты-ўрачы

Вылучаюць пяць асноўных галін прымянення нанатэхналогій у медыцыне: дастаўка актыўных лекавых рэчываў, новыя метады і сродкі лячэння на нанаметровым узроўні, дыягностыка, заснаваная на ўвядзенні нанааб’ектаў у арганізм, дыягностыка па агульнапрынятых параметрах з выкарыстаннем нанатэхналогій, медыцынскія імплантанты.

Напрыклад, у Беларусі вучонымі Нацыянальнай акадэміі навук, фізічнага факультэта БДУ і ўстаноў аховы здароўя праводзяцца сумесныя даследаванні выкарыстання малекул арганічных фарбавальнікаў для дыягностыкі функцыянавання розных органаў і сістэм чалавека, для мэтанакіраванага ўздзеяння на пухлінныя клеткі пры розных анкалагічных захворваннях. Вядуцца даследаванні і створаны першыя ўзоры так званых біячыпаў, распрацаваны тэхналогіі выдзялення монамалекулярных крышталічных упарадкаваных бялковых структур бактэрыяльнага паходжання і іх выкарыстання ў галіне мікраэлектронікі, мікра- і нанамеханічных прылад, біясэнсараў. Чакаецца стварэнне малекулярных робатаў-урачоў (гэта значыць, складаных арганічных малекул), якія змогуць “жыць” унутры чалавечага арганізма і садзейнічаць ліквідацыі пашкоджанняў, што ўзні каюць, або папярэджваць іх узнікненне, маніпулюючы асобнымі атамамі і малекуламі.

Меншы памер o большы аб’ём

Нанатэхналогіі з’яўляюцца асновай далейшага развіцця электронікі і інфармацыйных тэхналогій, дазваляючы зрабіць апаратуру больш мініяцюрнай і больш прыстасаванай для індывідуальных патрэб чалавека. Адным з самых перспектыўных напрамкаў у нанаэлектроніцы сёння лічыцца прымяненне нізкапамерных паўправадніковых сістэм: двухмерных (квантавых ям), аднамерных (квантавых ніцей ці нанадроту), нульмерных (квантавых кропак). Ужо створаны транзістары, здольныя пераключацца адным электронам, распрацаваны фотапрыёмнікі на аснове квантавых ям, аб’яднаных у звышрашоткі. Пры гэтым вырашэнне праблемы можа быць нечакана знойдзена ў галіне, далёкай ад электронікі. Напрыклад, разглядаецца магчымасць выкарыстання малекул ДНК (носьбітаў генетычнай інфармацыі ўсіх жывых істот) у якасці своеасаблівай нанамашыны для стварэння нанадроту. На кафедрах фізікі паўправаднікоў і нанаэлектронікі, энергафізікі фізфака БДУ распрацавана канструкцыя магнітакіраванага пераключальніка (геркона) на аснове вугляродных нанатрубак. Плошча, якую займае такі пераключальнік, не будзе перавышаць 100—200 нм2.

Малекулярная электроніка — гэта яшчэ адзін напрамак развіцця сучаснай электронікі. Вядомы цэлы шэраг арганічных малекулярных груп, якія могуць функцыянаваць як выпрамляльнік, праводзячая шына або запамінаючае ўстройства. Напрыклад, для захоўвання аднаго біта інфармацыі тэарэтычна патрэбна ўсяго адна малекула. Зроблены такім чынам накапляльнік інфармацыі мог бы ў шмат разоў пераўзысці па ёмістасці сённяшнія аналагі. Супрацоўнікі кафедры фізікі паўправаднікоў і нанаэлектронікі БДУ распрацавалі тэорыю, якая апісвае дзеянне нанапераключальніка на аснове некалькіх малекул фталацыяніну свінцу. Плошча, якую займае такі пераключальнік, складае каля 2 нм2.

Аб паводзінах святла ў нанамаштабах

Перспектыўным напрамкам развіцця інфармацыйных тэхналогій з’яўляецца нанафатоніка, звязаная з вытворчасцю нанаўстройстваў генерацыі, узмацнення, мадуляцыі, перадачы і дэтэктавання электрамагнітнага выпраменьвання і прылад на іх аснове, а таксама з вывучэннем фізічных з’яў, якія назіраюцца пры ўзаемадзеянні фатонаў з нанапамернымі аб’ектамі і вызначаюць функцыянаванне нанапрылад.

Сярод іншых галін прымянення нанафатонікі — асвятленне, індыкатары і знакі, невізуальная тэхналогія, тэлекамунікацыі, электроніка ў сферы забаў і сістэме спажывання, медыцына. Сярод кампанентаў, прадуктаў і тэхналогій, што ўяўляюць найбольшую цікавасць для гэтай галіны індустрыі, вылучаюцца нанафатонныя святлодыёды (у тым ліку і арганічныя), аптычныя ўзмацняльнікі і пераключальнікі, сістэмы захавання галаграфічных даных.

Навуковыя супрацоўнікі і выкладчыкі фізічнага факультэта БДУ правялі даследаванні і распрацавалі тэорыю, якая дазваляе маніпуліраваць светлавымі патокамі ў мікрапрыладах. Яны аднымі з першых правялі разлікі фатонных крышталёў. Адначасова з даследаваннямі ў галіне нанафатонікі ў БДУ атрымалі развіццё работы ў галіне ядзернай оптыкі, звязаныя з даследаваннем узаемадзеяння электрамагнітнага выпраменьвання рэнтгенаўскага дыяпазону (даўжыні хваляў ад 100 да 0,001 нм) са складанымі структурамі атамнага маштабу.

Нанатэхналогіі дапамогуць замяніць нафту і вугаль

Нечаканы спосаб прымянення нанатэхналогій у энергазберажэнні прапанаваны даследчыкамі Georgia Institute of Technology. Супрацоўнікі кампаніі распрацавалі просты і танны метад генерацыі электрычнага току пры дапамозе п’езаэлектрычных нанаправадоў з аксіду цынку, вырашчаных на тэкстыльных валокнах. Адзенне, якое ўтрымлівае валокны з такога матэрыялу, можа выпрацоўваць электрычнасць за кошт трэння, што ўзнікае пры хадзьбе.

Вучоныя перакананы, што пры пэўным выкарыстанні нанатэхналогій эфектыўнасць збору сонечнай энергіі вырасце настолькі, што пра нафту і вугаль усе проста забудуць. Энергія Сонца ў роўнай ступені даступная ўсім, і цяжка прыдумаць, як адна краіна перакрые другой доступ да гэтай крыніцы. Такім чынам, дзякуючы нанатэхналогіям, адной прычынай для войн і канфліктаў можа стаць менш.

На кафедры энергафізікі БДУ вядуцца работы па стварэнні сонечных элементаў на аснове нанаматэрыялаў — паўправаднікоў з квантавымі кропкамі. Выкарыстанне нанаматэрыялаў дазволіць павысіць каэфіцыент карыснага дзеяння элементаў і знізіць іх кошт.

***

Для эфектыўнага развіцця нанатэхналогій, стварэння новых матэрыялаў і ўкаранення іх у прамысловасць Беларусі неабходны добра падрыхтаваныя спецыялісты розных напрамкаў. Спецыяльнасці “Нанатэхналогіі і нанаматэрыялы ў электроніцы”, “Мікра- і нанаэлектронныя тэхналогіі і сістэмы” (БДУІР), “Мікра- і нанасістэмная тэхніка” (БНТУ) працуюць на вырашэнне гэтай праблемы і накіраваны на падрыхтоўку спецыялістаў, дзейнасць якіх звязана з камп’ютарным праектаваннем новых інтэгральных мікрасхем, тэхналогій іх вытворчасці, высокаінтэграваных сістэм электроннай і оптаэлектроннай апрацоўкі інфармацыі, з асваеннем у вытворчасці вырабаў электроннай тэхнікі, укараненнем нанатэхналогій і нанаматэрыялаў.

Фізічны факультэт БДУ праводзіць навуковыя даследаванні ў галіне атамна-малекулярных і электронных нанаструктур, нанаматэрыялаў, у тым ліку біялагічнай прыроды, у галіне нанаматэрыялазнаўства і стварэння паверхняў з новымі функцыянальнымі характарыстыкамі, падтрымлівае цесныя сувязі ў гэтай галіне з вядучымі цэнтрамі ў рэспубліцы і за яе межамі. З 2011 года ў рамках спецыяльнасці “Фізіка” адкрыты новы напрамак “Фізіка нанаматэрыялаў і нанатэхналогій”. Разам з дзеючымі ўведзены новыя спецыялізацыі: “Нанаэлектроніка”, “Функцыянальныя нанаматэрыялы”, “Нанафатоніка”, “Нанабіяматэрыялы і нанабіятэхналогіі”, якія з’яўляюцца найбольш перспектыўнымі ў гэтай галіне і патрэбнымі ў народнай гаспадарцы Беларусі.

Падрыхтавала Галіна СІДАРОВІЧ.


© Сайт арыгіналу Абітурыент, 2012.
Тэгі: , ,

Feed enhanced by Better Feed from Ozh