Эксперты ПостНауки развенчивают мифы о новых технологиях в манипулировании нанообъектами


© Алиса Сербиненко / ПостНаука

ПостНаука развенчивает научные мифы и знакомит читателей с комментариями наших экспертов, которые объясняют общепринятые заблуждения. Мы попросили наших авторов рассказать о причинах, по которым сформировались те или иные устоявшиеся представления о нанотехнологической индустрии.

Нанотехнологии — явление конца XX века

Неправда. Нанотехнологиями в конце XX века стали называть то, что на самом деле использовалось людьми сознательно или несознательно на протяжении тысячелетий. Наноматериалы использовали, например, еще жители Древнего Вавилона, когда делали цветное стекло. Они, конечно, этого не знали, но цвет стекла определялся включением наночастиц золота. Известна чаша Ликурга, которая хранится в Британском музее. Кубок на просвет имеет красный цвет, а если смотреть на него в рассеянном свете, то цвет зеленый. Это объясняется как раз включениями наночастиц золота, как было выяснено совсем недавно. Самой чаше при этом пара тысячелетий. Включения углеродных нанотрубок были в больших количествах обнаружены в дамасской стали. Причем они являются одной из основных причин (а может быть, даже основной причиной), которые придают дамасской стали одновременно прочность, гибкость и твердость.

Неправда. Нанотехнологиями в конце XX века стали называть то, что на самом деле использовалось людьми сознательно или несознательно на протяжении тысячелетий. Наноматериалы использовали, например, еще жители Древнего Вавилона, когда делали цветное стекло. Они, конечно, этого не знали, но цвет стекла определялся включением наночастиц золота. Известна чаша Ликурга, которая хранится в Британском музее. Кубок на просвет имеет красный цвет, а если смотреть на него в рассеянном свете, то цвет зеленый. Это объясняется как раз включениями наночастиц золота, как было выяснено совсем недавно. Самой чаше при этом пара тысячелетий. Включения углеродных нанотрубок были в больших количествах обнаружены в дамасской стали. Причем они являются одной из основных причин (а может быть, даже основной причиной), которые придают дамасской стали одновременно прочность, гибкость и твердость.
В XX веке многое из того, что мы сейчас называем нанотехнологиями, наукой о наноматериалах, называлось коллоидной химией. «Коллоидная химия», может, звучит не так привлекательно и искристо, как «нанотехнологии», но на самом деле это очень близкие понятия.

Сегодня мы наблюдаем огромный всплеск в развитии нанотехнологий, науки о наноматериалах. Раньше нанотехнологии не привлекали такого внимания, и понятно, почему они привлекли его сейчас. Появились способы изучения наноматериалов — изучения сознательного, детального, без надежды на какие-то случайности, как было, в частности, с создателями дамасской стали или с римскими мастерами, которые понятия не имели о наночастицах золота в своих материалах. Сейчас мы можем осознанно изучать структуру наноматериалов, их свойства, мы можем их создавать. И это открывает колоссальные возможности, потому что, меняя размер наночастиц, меняя число атомов в наночастице, можно серьезно менять и свойства объектов. Это позволяет создавать целую палитру разных материалов фактически на основе одного.

Артем Оганов
Habilitation in Crystallography, PhD in Crystallography, Full Professor, State University of New York at Stony Brook

После открытия графен так и не нашел применения

Правда лишь отчасти. С момента открытия графена прошло совсем немного времени, и производить его в серьезных масштабах начали недавно. Именно поэтому пока его широкого распространения не произошло. Однако уже открыты направления, в которых он может быть использован в самое ближайшее время. Прежде всего это электроника. В этой области он должен заменить практически все кремниевые полупроводники, а поскольку это вещество при различных вариантах его использования может быть и проводником, и полупроводником, и даже изолятором, то он может заменить практически любое устройство из современной микроэлектронной аппаратуры. Кроме того, совсем недавно английские ученые испытали новый бронежилет, изготовленный с использованием графена. Он намного легче, прочнее и удобнее, чем традиционные бронежилеты из кевлара. А если за графен взялись военные, значит, у этого вещества огромное будущее.

Графен отличается от всех остальных веществ тем, что он необычайно тонкий и обладает наиболее упорядоченной структурой. Это значит, что его можно применять в тех областях техники, где требуются именно эти свойства. Из него можно делать все, вплоть до фюзеляжей самолетов. Одно из самых интересных свойств графена заключается в том, что он состоит только из атомов углерода, а этого вещества у нас на Земле безграничное количество. Поэтому графен может стать веществом, которое будет использовано везде. Из него можно будет делать стулья, столы, обои. Ему можно присвоить звание первого универсального вещества за всю историю человечества.

Пётр Образцов
кандидат химических наук, сотрудник журнала «Наука и жизнь»

Нанообъекты конструируют посредством сборки из отдельных атомов

Неправда. Убеждение, что можно по атомам собирать наночастицы, — это, конечно, обывательский миф, во многом спровоцированный картинками из научно-популярных журналов, когда под электронным микроскопом люди из одиночных атомов собирают надпись IBM. Потом это тиражируется, и все считают, что вот так, из одиночных атомов, мы можем создать любой материал. Но это, конечно, непрактично.

Теоретически возможно (создали же надпись IBM), но абсолютно непрактично. Если мы вспомним, сколько атомов содержит 1 грамм обычного материала, то поймем, что по одному атому мы будем его собирать триллионы лет. Один моль имеет массу n граммов для разных веществ. Например, один моль углерода — это 12 граммов. 12 граммов углерода — это 6*1023 атомов. Конечно, никому не под силу собрать материал, если атом за атомом требуется собрать 1023 одиночных атомов. Это абсолютно нереалистично.

Используются различные другие подходы, основанные, например, на «самосборке», когда мы предоставляем атомам самим собраться, создавая благоприятные условия для того, чтобы образовались наночастицы нужного размера и нужной структуры. Вот так наноматериалы собирать можно — не на уровне индивидуальных атомов.

Артем Оганов
Habilitation in Crystallography, PhD in Crystallography, Full Professor, State University of New York at Stony Brook

Природного аналога нанотехнологиям не существует

Неправда. Когда человек стал исследовать область наноразмерных объектов? Вместе с развитием молекулярной биологии. На самом деле появление этого раздела биологии стало очень мощным толчком для изучения все более детальных свойств клетки, для того, чтобы проникать все глубже в нее. В конце концов мы столкнулись с объектами наноразмерного масштаба и поняли, что вся клетка — это нанотехнологии. В этой связи часто апеллируют к выступлению Ричарда Фейнмана «Там, внизу, много места», но на самом деле это было произнесено уже после открытия ДНК, когда уже было понятно, что такое белок и так далее.

Первоначальным мотивом было желание понять, как устроено живое. Это было очень мощной мотивацией в этом направлении. Конечно, с развитием инструментария и технологии научных исследований соответствующего размера стало формироваться более активное проникновение человека в область наномасштаба в самых разных направлениях: например, в области материалов и материаловедения, а также в химии — то, что называется макро- и супрамолекулярные структуры, которые, по сути, и являются объектами наномасштаба.

Это все произошло позже, когда подтянулись технологии научного исследования. Без развития микроскопии до уровня возможности разглядеть объект размером в 10 нанометров подобного прорыва не могло произойти. Конечно, такие параметры были получены не сразу. Соответственно, и нанотехнологии после этих достижений ушли в область не только биологии.

Нанотехнологии изначально придумала природа и воплотила их в первую очередь в виде биологических объектов, а человек только начал проникать в этот мир.

Владик Аветисов
доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории теории сложных систем Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ

Источник: postnauka.ru