Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) создан в 1984 году и является одним из ведущих в Сибирском регионе научных учреждений в области материаловедения, разработки и создания новых материалов, включая наноматериалы, и изделий из них. Институт является структурным звеном Российской академии наук и входит в состав организаций, объединяемых Учреждением Российской академии наук Сибирским отделением РАН (СО РАН). Территориально Институт расположен в Томском научном центре СО РАН. Научно-методическое руководство Институтом осуществляют Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН, Президиум СО РАН и Объединенный ученый совет по энергетике, машиностроению, механике и процессам управления СО РАН.

1. Физическое Материаловедение Наноструктурных Материалов Учеб. Пособие

ИФПМ СО РАН является головной организацией Ассоциации учебно-научных организаций «Российский материаловедческий центр», учрежденной в 1992 году совместным решением Министерства науки РФ, Президиума СО РАН и Администрации Томской области. Основное научное направление Института - «физическая мезомеханика материалов и нанотехнологии».

1. Наноструктурные материалы (наноматериалы) – материалы, у которых дискретные элементы структуры – зерна, блоки, включения, кластеры и т.п. – имеют размеры менее 100 нм хотя бы в одном измерении (в физическом материаловедении кластер – частица размером ~1 нм; 1 нм = = 10-9 м = 10-3 мкм, т.е. Равная одной тысячной микрометра). Такая структура материалов определяет их особые свойства – механические, физические (электрические, магнитные, тепловые, оптические и др.), химические, резко отличающиеся от свойств материалов с обычной макроскопической структурой (размеры зерна обычных материалов – это мик.
2. Физическое материаловедение наноструктурных материалов. Учебное пособие.

Петрунин (НИЯУ МИФИ) 1. ВВЕДЕНИЕ Материалы, структуры и устройства нанометрового размера, а также системы из них существуют в природе много лет. Например, ракушки моллюсков, волосы, сажа, элементы крови, пыльца цветов, цемент и другие являются наноструктурированными, обладают необычными свойствами, известными и используемыми очень давно. Живая природа состоит в основном из элементов и блоков в единицы и десятки нанометров.

Но физики, химики, материаловеды и представители других научных дисциплин в конце XIX – начале XX вв. В процессе развития изучения макро- и микровещества «пропустили» наноуровень и приступили к изучению атомного ядра и элементарных частиц - объектов гораздо более мелкого масштаба 1. И только в конце ХХ столетия внимание большого числа ученых сосредоточилось на объектах нанометрового масштаба (10 -7 – 10 -9 м), где, как заметил Фейнман, оказалось «много места» для фундаментальных исследований и практического применения их результатов. Другой причиной «задержки» создания и развития науки о наноразмерных объектах вещества является их неравновесный характер. Для классической физики (термодинамики, в частности) наночастица слишком мала и ее законы и подходы можно использовать только оценочно, а для квантовой механики наночастица, состоящая более чем из 100000 атомов, очень велика, чтобы проводить расчеты основных характеристик, даже с помощью самых современных больших компьютеров.

Поэтому формирование нанонауки находится на самом начальном уровне, но специфические, иногда уникальные, свойства наноматериалов настолько перспективны, что многие страны создали специальные государственные программы по их разработке и применению. Российские (ранее советские) ученые и специалисты имеют значительный и во многом приоритетный опыт в изучении и применении наноразмерных материалов. Производство нанопорошков было освоено еще в 50-е годы в атомной отрасли (бывшем Минсредмаше СССР) при решении задач «уранового проекта».

В открытом (гражданском) варианте в 1980 г. Научно-техническое направление «Ультрадисперсные системы» оформилось созданием координационного Совета при АН СССР и успешно развивалось до 1992 г. Были не только собраны многочисленные данные об их необычных свойствах, но и установлены физические причины, позволяющие понять, почему именно при этих размерах тот или иной материал приобретает необычные свойства: соизмеримость с фундаментальными величинами, большая поверхностная энергия и неравновесный характер состояния. В последние годы с целью перехода нашей страны на инновационный путь развития созданию наноиндустрии придается значительная роль.

1979 — отдел физики твердого тела и материаловедения под руководством Панина Виктора.

Сформированы и финансируются президентская, федеральные и отраслевые целевые программы, создана специальная государственная корпорация «Роснанотех» (РОСНАНО). Несмотря на экономические и организационные трудности, появилась возможность создать в нашей стране новую наукоемкую отрасль – наноиндустрию, которая станет основой 6-го экономического уклада, и войти в XXI веке в число развитых стран.

Для этого необходимо изучать и перенимать зарубежный опыт, но опираться лучше на свой задел. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ Особенности наноструктурного (ультрадисперсного) состояния вещества наиболее заметно проявляются при изучении разделенных наночастиц, когда их размер можно рассматривать как физический параметр наряду с составом, температурой и давлением. К главным физическим причинам особенностей структуры и свойств ультрадисперсных (нано-) материалов можно отнести три: ограничение действия законов классической физики из-за небольшого количества атомов и малого размера, значительный рост удельной поверхностной энергии и экстремальные условия синтеза 2.

По этим причинам наноструктурные материалы являются одним из видов неравновесного состояния вещества, в котором могут реализовываться нестабильные (метастабильные) структуры (например, несплошные и потому не объяснимые из представлений классической теории пространственных групп симметрии фуллерены и нанотрубки), высокотемпературные фазы (алмаз, кубический оксид циркония), структурная, концентрационная или фазовая неоднородности по радиусу наночастицы и другие 3. Теоретические оценки атомного строения отдельных наночастиц никеля и золота соответственно из 736 и из 1047 атомов, показали, что устойчивому состоянию отвечает модель, отличающаяся от массивного кристалла.

В малой частице вдоль каждого направления межатомные расстояния монотонно изменяются от центра к поверхности, так что максимальное сжатие (до нескольких процентов) осуществляется в поверхностных слоях. По критерию, предложенному Л. Ландау, — по функции атомного распределения — наноматериалы занимают промежуточное положение между кристаллами и аморфными веществами.

Особенности структуры обуславливают особенности свойств ультрадисперсных (нано-) материалов которые часто своеобразны, а иногда уникальны, что можно широко использовать практически. Свойства наносистем определяются, в первую очередь, свойствами индивидуальных наночастиц и их взаимодействием. Первые зависят от элементного и фазового состава, атомного строения (типа и степени упорядочения), дефектности и морфологии, размера и количества кристаллитов. Вторые определяются размером взаимодействующих частиц, их поверхностной энергией, концентрацией и равномерностью плотности. И те и другие проявляют размерную зависимость, а при размерах сравнимых с длиной волны де Бройля появляются и квантовые размерные эффекты. Обобщая многочисленные расчетные и экспериментальные данные, можно отметить, что отличие свойств наноматериалов по сравнению со свойствами аналогичных крупнокристаллических проявляется следующим образом 4.

Механические: увеличение твердости (из-за отсутствия протяженных дефектов) в сочетании с высокой (супер-) пластичностью (благодаря развитой сетке границ и зернограничному проскальзыванию), увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости. Электрические: размерная зависимость работы выхода электронов и электросопротивления, полупроводниковый характер проводимости очень малых наночастиц металлов (из-за ограниченного числа свободных электронов). Магнитные: суперпарамагнетизм (при размере частиц менее 1 домена), максимальная коэрцитивная сила в монодоменных частицах, гигантское магнетосопротивление. Термические: уменьшение температур Дебая, плавления, фазовых переходов, спекания на 15-20% (из-за изменения спектра фононов) при увеличении коэффициента термического расширения и теплоемкости. Оптические: изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения, увеличенное рассеяние, способность реализации «черного тела». Химические: увеличение растворимости (до 20-25%) в кислотах, понижение температур химических реакций, отсутствие «индукционного» периода.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Общим принципом способов изготовления наноматериалов является сочетание высокой скорости образования центров зарождения частиц с малой скоростью их роста 5. Для этого реализованы два пути создания наноструктурированных материалов: обработка традиционных крупнокристаллических материалов с последовательным или разовым процессом уменьшения размеров морфологических элементов до нанометрового масштаба. Этот способ называют «сверху-вниз». Противоположный путь «снизу-вверх» состоит из изготовления наноструктурных изделий или материалов путем сборки из атомов или молекул.

Можно разделить все способы получения наноматериалов на физические (механическое измельчение, распыление, конденсация из паровой фазы в вакууме или инертном газе, конденсация из плазмы электродуговое измельчение, лазерное облучение, СВЧ-обработка, электровзрыв (проволоки), поатомная сборка, самосборка, ), химические (разложение солей, осаждение растворов, химические реакции при пониженных температурах, водородное восстановление металлов из окислов, химический взрыв, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, химические реакции в плазменном состоянии, ) и биологические. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ Международный рынок нанопродукции огромен. Более 160 миллиардов долларов – стоимость товаров, выпущенных во всем мире в 2012 году с использованием новейших, только что созданных нанотехнологий. Почти в десять раз больше, 1,4 триллиона долларов, получится, если учесть и «старые» нанотехнологии, прежде всего – производство кремниевых чипов для компьютеров, телефонов, другой электроники. Но вскоре и эти «старые» сменятся новыми, а объем нанопродукции будет быстро расти – ведь только на исследования по нанотехнологиям расходуется 13,5 миллиардов долларов в год 6. Энергетика, электроника, биология и медицина – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас. Нанотехнологии в плотную взялись за солнечную энергетику.

В промышленных масштабах начинается выпуск солнечных батарей нового поколения – вместо дорогого кристаллического кремния применена дешевая полимерная пленка, которую обрабатывают на слегка переделанных машинах для производства фотопленки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю, как раз и использованы нанотехнологии: покрытие из фуллеренов. В энергетике плееров и диктофонов, фонариков и игрушек, а ее основа – литий-ионная батарейка, тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы – они заряжаются с немыслимой еще вчера скоростью: на 80% всего лишь за минуту (обычно для этого требуется несколько часов). Заметнее всего развитие нанотехнологий в электронике. Базовые элементы компьютерных микросхем стали меньше 100 нм еще в 2003 году, при этом производительность и емкость памяти радикально выросли.

Прогресс в этой области ускоряется – процессор Intel образца 2008 года, произведенный по нормам 45 нм работает на тактовой частоте около 3 ГГц, а потребляет всего 35 Вт энергии. При этом количество транзисторов по сравнению с процессором предыдущего поколения (на элементах 65 нм) удвоилось. Появился ряд новых материалов, специально созданных для повышения энергоэффективности микросхем.

По той же технологии начат выпуск и совсем маленьких процессоров, содержащих «всего» около 50 миллионов транзисторов на чипе размером с копеечную монету. Они будут использованы в мобильных интернет-устройствах и обеспечивать постоянный доступ к деловой и научной информации, образовательным и развлекательным ресурсам интернета. Действие лекарства часто усиливается, если оно используется в виде наночастиц или заключено в нанокапсулу. Иногда даже просто контакт нанокапсулы с больной клеткой может быть ценным лечебным воздействием.

Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты действуют сильнее обычных, но атакуют главным образом клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических средств) эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз. Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применять в виде наночастиц, Уже несколько лет существуют заживляющие повязки для ожогов и серьезных ран, содержащие такое наносеребро. В 2009 начат выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань. Нанодатчики – важнейшее направление медицинских нанотехнологий – диагностика тяжелых заболеваний на самой ранней стадии, когда с ними гораздо легче справиться. Из наноматериалов здесь шире всего применяют квантовые точки и нанотрубки.

Квантовые точки – нанометровые кристаллы, способные светиться в разных диапазонах – используются для сигнализации при исследованиях. Нанотрубки обычно работают как чувствительные элементы датчиков, реагируя на те или иные молекулы – признаки заболеваний. По прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы в коммерческих продуктах.

Аккумуляторы смогут не только накапливать электрическую энергию, но и перерабатывать в нее свет или тепло. Солнечные батареи будут совмещаться с конструкционными материалами – в идеале дом обеспечат электричеством его стены и крыша. В ближайшие десять лет нанотехнологии готовят революцию в солнечной энергетике – резкое снижение цены при резком росте эффективности. Главный кандидат в фотовольтаики (преобразователи света в электроэнергию) следующего поколения – квантовые точки. Многослойные фотовольтаики на квантовых точках могут в принципе достичь эффективности в 86% (сегодня этот показатель всего лишь 16% в массовом секторе). Электроника тоже не будет стоять на месте. Очень вероятно, что вместо кремния в компьютерах будут применяться иные материалы – например, графен, углеродный слой из атомов, объединенных в шестиугольные ячейки.

Но не исключено, что процессорный чип будет похож на лес из нанотрубок-транзисторов, а «выращивать» такие леса будут при помощи молекул ДНК. В медицине будет развиваться ранняя и точная диагностика на основе наносенсоров. Точечная доставка лекарств в форме нанокапсул прямо в пораженные клетки поможет справиться с множеством заболеваний. Исследования в области наноструктурированных материалов и биоактивных покрытий могут привести к революции в протезировании – созданию полноценных искусственных конечностей.

Быстрый анализ индивидуальной ДНК поможет вовремя предотвращать тяжелые заболевания и настраивать лекарства на особенности пациента. Строительные конструкции будут насыщены наносенсорами, следящими за их прочностью и целостностью. Подобно использованию видеокамер для наружного наблюдения и передачи данных для обнаружения любых угроз, от пожара до атаки террористов. Промышленного уровня достигнут технологии молекулярной сборки. Будущее развитие нанотехнологий и разработка новых наноматериалов позволит не только создавать новые улучшенные изделия и устройства.

Важнейшим прикладным значением изучения наносостояния станет возможность конвергации неорганического, органического и биологического мира и создание неизвестных ранее в природе новых веществ, что вызывает не только интерес ученых, но и опасения некоторой части общественности. Как и многие предыдущие по времени «ключевые» технологии, нанотехнологии пережив бурный подъем в первые годы 21-го века, начали испытывать спад общественного интереса в последние годы. В некоторой мере этому способствовало высказывание Э. Дрекслера о том, что нанороботы, запрограммированные на самопроизводство, способны будут переработать доступную им материю в биомассу и стремительно превратить весь окружающий мир в «серую слизь». То есть, опасение неуправляемости человеком создаваемого им же второго «разума» на земле может серьезно сдерживать развитие наноиндустрии.

Но Ричард Смолли резко раскритиковал (на страницах журнала «Chemical and Engineering News») пессимизм Дрекслера: «если бы возможность саморазмножения нанороботов и существовала, то нанороботу потребовалось бы 20 миллионов лет, чтобы накопить одну унцию продукта саморазмножения. Однако и этот скромный по результатам процесс невозможен, так как он потребовал бы огромных энергетических затрат». Еще одной причиной сдерживания роста разработок и производства нанопродукции является запаздывание метрологических, экологических и медицинских испытаний новой для человечества нанопродукции. Необходимо предпринять в ближайшее время следующие меры: гарантия прослеживаемости наноматериалов; ясная маркировка с информацией о наличии наноматериалов; запрет на использование определенных наноматериалов; гармонизация законодательств европейских стран с целью унификации практик. Развитие нанонауки, нанотехнологий и наноиндустрии, как очередного этапа развития научно-технического прогресса остановить уже нельзя. И для снижения риска использования его результатов во вред человечеству необходимо создание не только физических представлений об особенностях наноструктурного состояния вещества, но и этических критериев о направлениях разработок наноматериалов и нанотехнологий.

Задача состоит в том, чтобы скоординировать работы в области наноматериалов и нанотехнологий, чтобы их внедрение улучшило качество и увеличило продолжительность жизни людей, повысило производительность труда, оптимизировало распределение ресурсов, способствовало развитию экологически адаптированных систем, снизило социальное напряжение. Это вызовет качественное изменение экономической, общественной и политической жизни людей и будет нести общецивилизационный характер.

Список литературы. Петрунин В.Ф. // 9-я Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем Ижевск, 2010 // Ядерная физика и инжиниринг, 2011, т.2, №3,. Петрунин В.Ф.

// III Всероссийская конференция по наноматериалам. 2009, Екатеринбург: Ур. Petrunin V.F.

// Nanostruct. Mater., 1999. Петрунин В.Ф. // Ядерная физика и инжиниринг, 2011, т.2, №3,. Петрунин В.Ф.

Физическое Материаловедение Наноструктурных Материалов Учеб. Пособие

// Ядерная физика и инжиниринг, 2013, т.4, №6,. // Богатство наномира., 2009. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний.