НАНОМАТЕРИАЛЫ (Nanomaterials) стр 8

• Если уж стальной кубик или кристаллик соли, сложенный из одинаковых атомов, может обнаруживать интересные свойства;
• Если вода — простые капельки, неотличимые друг от друга и покрывающие миля за милей поверхность Земли, — способна порождать волны и пену, гром прибоя и странные узоры на граните набережной;
• Если все это, все богатство жизни вод — всего лишь свойство сгустков атомов, то сколько же еще в них скрыто возможностей?
• Р. П. Фейнман

Согласно толковому словарю русского языка материалы — это предметы, вещества, сырье, идущие на изготовление чего-либо, т.е. на производство изделий, полезных человеку. Соответственно, наноматериалами можно назвать практически любые объекты, вещества или их композиции, размеры структурных элементов которых лежат в «нанодиапазоне» (от 1 до 100 нм).

• Нанокристаллический материал (а) (?-Fe2O3) поликристаллический материал (рис.1,б) (шлиф плотной керамики Sm_0.6 Sr _0.4 Mn_0.8 Fe_0.2 O_3.8 ) (ФМН МГУ МГУ им. Ломоносова)

Таким образом, наноматериалы — собирательный термин, объединяющий обширные классы веществ, применимых для изготовления полезных человеку изделий. Внедрение наноматериалов в современной технологии означает качественный скачок в философии получения практически важных веществ — создание сложных устройств и систем, размеры которых находятся в диапазоне размеров надмолекулярных образований.

Наноматериалы состоят из очень мелких частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. В этом заключается первый плюс — возможность суперминиатюризации, приводящей к тому, что на единице площади можно разместить больше функциональных наноустройств, что жизненно важно, например, для наноэлектроники или для достижения суперплотной магнитной записи информации вплоть до 10 Террабит на 1 квадратный сантиметр. Кроме того, ничтожный размер позволяет наноустройствам проникать в любые труднодоступные участки человеческого тела или части микромашин, в которые не проникнет ничто другое.

В отличие от обычных материалов, мельчайшие частицы которых содержат более 10⁸ структурных единиц, частицы наноматериалов могут состоять всего из десятков атомов. Следовательно наносистемы имеют существенно большую долю атомов, находящихся на поверхности. Например, в поликристаллическом материале с размером зерна порядка 10 микрометров только 10^-4 часть атомов принадлежит границе зерна, тогда как при уменьшении размера зерна до 3-4 нанометров доли атомов, занимающих регулярные позиции в кристаллической решетке и находящихся на границе нанокристалла, становятся практически одинаковыми (рис. 1). Эта особенность наноструктурных материалов сильно влияет на их химические и физические свойства (транспортные, каталитические, механические, оптические и др.). Например, каталитически активные наноматериалы позволяют в десятки тысяч и даже миллионы раз ускорить химические или биохимические реакции.

Кроме того, проявление в наночастицах квантоворазмерных эффектов приводит к резкому изменению основных характеристик наноматериала и появлению новых, зачастую практически полезных свойств. Эти эффекты начинают особенно резко проявляться, когда размеры частиц становятся сопоставимы с корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов или фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.). Характерной особенностью наночастиц является также отсутствие дефектов. Это делает, в частности, полупроводниковые наночастицы (квантовые точки) идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. А индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающей прочность лучшей стали, при этом они во много раз выигрывают у стали и по своей удельной массе. Все эти признаки вполне объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тонна обычного вещества, и что их производство — вопрос не количества тонно-километров, а качества человеческой мысли.

Исключительные свойства наноматериалов обусловливают перспективы их широкого применения в технологии. Особое место занимают применения наноматериалов в быстро развивающихся областях цифровой электроники, телекоммуникациях, технологиях преобразования и сохранения энергии, здравоохранении. Например, пространственно-упорядоченные массивы наночастиц весьма перспективны для создания устройств высокоплотной записи информации и оптоэлектронных приборов. Наночастицы диоксида титана (основного компонента обычных титановых белил) способны разлагать воду на водород и кислород под действием обычного солнечного света. Нанопористые вещества способны отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины. Наночастицы можно использовать для направленной доставки и концентрирования биомолекул, лечения раковых опухолей, в нанофармакологии и наномедицине.