Нанотехнології маніпулюють атомами, молекулами та об’єктами розміром менше 100 нм. Один нанометр дорівнює 10 – ⁹ або одній мільярдній частці метра. Для порівняння: людське волосся має товщину 80 000-100 000 нм. Нижче – ще кілька фактів, які варто знати про нанотехнології.
1. Нанотехнології – це не галузь
Часто вважається, що нанотехнології-це галузь виробництва, яка повинна випускати якісь наноустройства. Але в реальності існує нанонаука, яка вивчає властивості матеріалу, і нанотехнології, які застосовують ці відкриття для створення наноструктур.
Нанотехнології задіяні в хімії, медицині, фармакології, робототехніці, і найбільш активно – в електроніці для виготовлення провідників розміром від 5 до 45 нм.
нанотехнології працюють з об’єктами розміром не більше 100 нм. У цьому розмірі матеріали мають властивості, які не проявляються на макрорівні. На фото-схематичне зображення вуглецевої нанотрубки, одного з найпоширеніших наноматеріалів на сьогоднішній день
Суть нанотехнологій в тому, що на нанорівні збільшується кількість атомів на поверхні об’єкта в порівнянні з числом атомів в його обсязі. Також знижується значення гравітації, зате посилюється вплив вандерваальсових сил. Все це призводить до виникнення незвичайних властивостей, які неможливо спостерігати на макрорівні.
2. Нанотехнології давніші, ніж здаються
У 1959 році фізик-теоретик річард фейнман виголосив промову “внизу багато місця”, в якій припустив, що можна маніпулювати окремими атомами. У 1974 році матеріалознавець норіо танігучі ввів термін «нанотехнології» для виробництва виробів розміром кілька нанометрів. А вже з 1980-х років почала розвиватися сфера нанотехнологій в її сучасному вигляді.
Але людство застосовувало нанотехнології і раніше: наприклад, в xiv–xiii ст. До н. Е. У стародавньому єгипті частинки в нанорозмірі використовувалися при виготовленні кольорового скла, а в знаменитому кубку лікурга, створеному близько vi ст.н. Е., застосовувалися частинки золота і срібла розміром 50-100 нм. Завдяки їм колір чаші при різному освітленні змінювався з жовто-зеленого на рубіновий.
3. У нанотехнологій є два шляхи розвитку
У нанотехнологій є два шляхи розвитку-top down і bottom up. Зараз найбільш розвиненим є шлях top down (англ. Зверху вниз), коли в уже існуючі матеріали додаються наночастинки. Це дозволяє створювати звичні матеріали із заданими властивостями.
Наприклад, існує самоочисне скло з додаванням наночастинок діоксиду титану, які вступають в реакцію з киснем і ультрафіолетом і відштовхують пил.
У 2020 році вченим вдалося виростити так званий «ліс нанотрубок» рекордної довжини близько близько 14 см. Відео: hisashi sugime, waseda university
Другий варіант розвитку нанотехнологій – bottom up (англ. Знизу вгору), навпаки, спрямований на створення нових матеріалів з окремих частинок і молекул. Аналогом цього підходу є 3d-принтери, які створюють об’єкти з вихідного матеріалу. А в 1989 році вчені зібрали з атомів ксенону на підводному човні з охолодженого кристала кремнію напис ibm. На це знадобилося кілька годин, так що поки це залишилося тільки на рівні експерименту.
4. Найпрогресивніший наноматеріал-це графен
Відомі багатьом наноматеріали-це аллотропние форми вуглецю: фулерени, вуглецеві трубки і, звичайно, графен.
Фуллерен-молекулярна сполука, замкнутий багатогранник з трьохкоординованих атомів вуглецю. Він може бути надпровідником або використовуватися в акумуляторах.
фулерен c60-його ще називають» вуглецевим наномячом ”
Вуглецеві нанотрубки – порожниста циліндрична структура діаметром від 0,9 до декількох десятків нанометрів і довжиною від 1 мкм до декількох сантиметрів. Вони надміцні і застосовуються в композитних матеріалах, мікроелектроніці, нейрокомп’ютерних розробках, оптиці, медицині та інших сферах.
існують не тільки одностінні, але і багатостінні вуглецеві нанотрубки (на зображенні), в яких циліндричні трубки коаксіально вкладені один в одного за принципом матрьошки. Це дозволяє отримати більш різноманітні форми і конфігурації нанотрубок. Зображення: eric wieser
Але найвідоміший і перспективний наноматеріал-графен, який вдалося отримати тільки в 2004 році. Він має двомірну структуру товщиною в один атом, що складається з атомів вуглецю, зібраних в гексагональну решітку. За рахунок сильних міжатомних зв’язків графен володіє унікальними властивостями: надміцністю, легкістю і надпровідністю, а також він може розтягуватися на 20% від своєї вихідної довжини і не ламається при згинанні.
Все це в майбутньому дозволить використовувати графен в гнучкій електроніці, в акумуляторах, в якості сенсора або біомедичного датчика.
Графен являє собою структуру, що складається з одного шару атомів, організованих в шестикутну решітку, по суті — це розгорнута вуглецева трубка. Зображення: alexanderalus
Поки що є деякі проблеми з отриманням графена: для лабораторних дослідів його вручну відлущують від кристала графіту (це схоже на те, як ми проводимо лінію олівцем по папері). Але для промислового виробництва такий спосіб занадто дорогий, тому розробляються інші, наприклад, графенові листи вирощують на підкладках карбіду кремнію.
5. У нанотехнологій величезні перспективи
Хоча поки що нанотехнології знаходяться на ранній стадії розвитку, вчені прогнозують їм велике майбутнє.
Передбачається, що головний прорив відбудеться в сфері електроніки, де будуть створені надтонкі і гнучкі пристрої на основі графена.
У 2016 році вчені з mit виростили шпинат з вживленими вуглецевими нанотрубками, які працюють як детектори і виявляють вибухові речовини. Відео: mit
Ще однією сферою застосування нанотеху стануть медицина і фармацевтика, де вже намагаються розробити нанороботів для точкової доставки ліків до окремих органів.
Але основним завданням нанотехнологій у майбутньому є створення біорозкладаних або біодеградованих матеріалів. Це дозволить вирішити проблему забруднення навколишнього середовища, наприклад, старий смартфон можна буде просто закопати на ділянці, де він перетвориться в добриво.
