Введение. Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узкопроизводственные функции

Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узкопроизводственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый век, век пара и электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо.

В последние несколько лет нанотехнология стала рассматриваться не только как одна из высоких технологий, но и как системообразующий фактор экономики, основанной на знаниях, а не использовании природных ресурсов или их переработке. Помимо того, что нанотехнология стимулирует развитие новой парадигмы всей производственной деятельности. Традиционным технологическим приемом является получение изделия из массивной заготовки отсечением излишнего материала («сверху - вниз»), нанотехнологический подход - «снизу - вверх», т.е. от отдельных атомов к изделию. По мнению большинства экспертов в области научно-технической политики и инвестирования средств, начавшаяся нанотехнологическая революция охватит все жизненно важные сферы деятельности человека, а ее последствия будут обширнее и глубже, чем компьютерной революции последней трети 20 века. Все это ставит задачи и вопросы не только в научно-технической сфере, но и перед администраторами различного уровня, потенциальными инвесторами, сферой образования, органами государственного управления и т.д.

Нанотехнология как междисциплинарное направление, сформировавшееся в мировой науке и технике в последние 15 - 20 лет, изучает объекты, размер которых составляет примерно 0,1 - 100 нм (1 нм = 10^{-9 м); это так называемые малоразмерные объекты. Важной составляющей этого научно-технического направления является разработка наноструктурных материалов. Под наноструктурными (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными, нановолокнистыми и т.д.) материалами принято понимать материалы, основные структурные элементы которых (кристаллиты, волокна, слои, поры) не превышают 100 нм, по крайней мере, в одном направлении. В задачу материаловедческих исследований входит установление многообразных связей между свойствами и структурой материалов с выявлением оптимальных наноструктур, что осуществляется в тесной связи с технологией изготовления и последующей эксплуатацией наноструктурных материалов.}

Особые физические свойства малых частиц давно, хотя и неосознанно, использовались людьми. Примерами могут служить изготовленные еще в древнем Египте образцы цветных стекол, окрашенные коллоидными частицами металлов, или применявшиеся в разные исторические эпохи красящие пигменты. Биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, бродильные процессы при изготовлении хлеба, кисломолочных продуктов и многие другие происходят на наноуровне. Однако интуитивная нанотехнология, развивавшаяся стихийно, без глубокого понимания природы используемых объектов и процессов не может быть надежной основой в будущем. Поэтому огромное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов.

Фактически началом изучения наноструктурного состояния вещества явились исследования в области коллоидной химии, достаточно широко проводившиеся уже с середины XIX века. Первым научным упоминанием малых частиц является, по-видимому, открытое в 1827 году шотландским ботаником Р. Броуном беспорядочное движение частиц цветочной пыльцы, взвешенных в жидкости. Статья об этом микроскопическом наблюдении, опубликованная в 1828 году, положила начало многим исследованиям. Обнаруженное явление было названо броуновским движением. Теория броуновского движения, развитая независимо А. Эйнштейном и М. Смолуховским в начале XX века, является основой одного из экспериментальных методов определения размеров малых частиц. Рассеяние света водными коллоидными растворами высокодисперсного золота и тонких пленок на его основе в период 1850-1860 годов изучал М. Фарадей. Отмеченное М. Фарадеем изменение цвета в зависимости от размера частиц - едва ли не первый пример исследования размерных эффектов в нанообъектах.

В начале XX века значительный вклад в экспериментальное подтверждение теории броуновского движения, в развитие коллоидной химии и исследование дисперсных веществ, в определение размеров коллоидных частиц внес шведский ученый Т. Сведберг. В 1919 году он создал метод выделения коллоидных частиц из растворов с помощью ультрацентрифуги. В 1926 году за работы в области дисперсных систем Т. Сведбергу была присуждена Нобелевская премия по химии.

В XX веке стали интенсивно развиваться исследования гетерогенного катализа, ультрадисперсных порошков и тонких плёнок. В таких исследованиях естественно возникал вопрос о влиянии малого размера изучаемых объектов на их свойства.

В конце декабря 1959 года Р. Фейнман, выступая с лекцией на рождественском обеде в Калифорнийском технологическом институте, обратил внимание на проблему контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров как на малоизученную, но очень перспективную область физики и науки в целом. В частности, он отметил, что "научившись регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы с совершенно неожиданными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты....Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы...".

Технику манипуляции на атомарном уровне сейчас называют нанотехнологией. Термин "нанотехнология" впервые был введен японским профессором Норио Танигучи (Norio Taniguchi) в его докладе "Основные принципы нанотехнологии" (On the Basic Concept of Nano-technology) на международной конференции "International Conference on Precision Engineering", в Токио в 1974 году. Первоначально слово "нанотехнология" означало комплекс процессов, обеспечивающих высокоточную обработку поверхности с использованием сверхтонкого травления, нанесения плёнок, высокоэнергетических электронных, фотонных и ионных пучков. В настоящее время термин "нанотехнология" используется в широком смысле, охватывая и объединяя технологические процессы и системы машин и механизмов, способные выполнять сверхточные операции в масштабе нескольких нанометров.

Работы по целенаправленному синтезу и использованию материалов со структурными элементами нанометрового масштаба были начаты в нашей стране ещё в 50-е годы XX века и привели к значительному экономическому эффекту при выполнении «уранового» проекта. Открытые исследования фундаментальных особенностей структуры и свойств, разработка различных способов синтеза и поиск возможных применений начались в 70-е годы. Создание секции Совета АН СССР «Ультрадисперсные системы» в 1979 г., вызвало интерес специалистов различных областей науки и техники. Определение их особого состояния через соизмеримость геометрического размера с фундаментальными физическими величинами, разработка около 10 физических и химических способов синтеза, выявление особенностей структуры и основных физико-химических свойств в 80-е г.г. вело к большему числу возможных применений. Но известные политические и экономические преобразования в начале 90-х годов задержали формирование и развитие нового научно-технического направления.

В 90-е годы в США, Японии, Германии и в других развитых странах исследования наноструктурированных материалов, выполненные с помощью новых физических методов, показали их большую перспективу. Стало ясно, что наноматериалы позволяют не только миниатюризировать приборы, устройства и изделия, но и качественно изменять их характеристики в нужную сторону. Способы применения наноматериалов – нанотехнологии, наряду с компьютерно-информационными и биотехнологиями, становятся в XXI веке «ключевыми», определяющими уровень развития всей техники и экономики.

Разработка и принятие Правительством России 12 ноября 2004 г. «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» отражают их приоритетное стратегическое значение. В ближайшие годы предполагается реализовать несколько программ: «Программа координации работ в области нанотехнологии и наноматериалов в РФ», программа - ФЦНТП 2007-2012 гг. по финансированию НИОКР по приоритетным направлениям (в т.ч. «Индустрии наносистем»), «Программа ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ» в 2007-2010 гг. Эти программы призваны обеспечить быстрое развитие российских разработок по нанотехнологии и доведение их готовности к промышленной реализации. Обсуждается также и создание инвестиционного государственного фонда по нанотехнологиям - важнейшего инструмента, предназначенного для финансирования производств, использующих нанотехнологии.

В случае принятия всех необходимых решений, начиная с 2007 г. ежегодно только на разработки по нанотехнологиям будет выделяться не менее 10 - 15 млрд. руб. Эти средства сравнимы с теми, которые выделяют сегодня на эту область ежегодно США, Европейский союз, и достаточны для становления и быстрого развития данного сегмента промышленности в России. Задача создания отечественной индустрии наносистем может быть выполнена при условии рационального использования этих средств.

Дата добавления: 2014-01-13