Основные понятия нанонауки и

Основные понятия нанонауки и нанотехнологии (вводная лекция) Академик Ю. Д. Третьяков Факультет наук о материалах, химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова Научно-образовательный центр по нанотехнологиям МГУ www. fnm. msu. ru www. nanometer. ru 2008 2 1

Множество определений нанотехнологий Нанотехнологии - совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1 - 100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами (ГК «Роснанотех» ).

Что такое НАНО? «нано» - «гном, карлик» , одна миллиардная (метра) NANNO Вниз-вглубь Ключ-замок

«Пятое измерение» ? -Размер по одному из измерений < 100 нм -Новые свойства по сравнению с объемным телом -Высокая реакционная способность -Квантовые и туннельные эффекты -Самоорганизация и самосборка -Специфическое взаимодействие с живыми системами

Насколько мал нанометр? Когда – то, говорят, Чингис-хан приказал каждому из своих воинов принести по камню к его шатру. Приказано-сделано. Выросла гора. А что если каждый человек на земном шаре принесет по одной единственной квантовой точке (диаметр 10 нм, плотность материала 7 г/см 3 ) и положит ее около штаб-квартиры Государственной Корпорации « Роснанотех » в кучу, то какую массу будет иметь эта куча? (Ответ: 20 миллиардных долей грамма) Почему автор эмблемы расположил гнома между фуллереном и Землей ? ( Ответ : отношение размера гнома к размеру молекулы фуллерена примерно равно отношению размера Луны к размеру гнома) 5

«Нано» есть везде… Сверхпроводящая крупнокристаллическая керамика 6

Домены 1 см (псевдокристаллы) 7

Домены 1 см (псевдокристаллы) 1 мм 8

Домены 1 см (псевдокристаллы) 1 мкм 1 мм 9

Домены 1 см (псевдокристаллы) 1 мкм 1 мм 10 1 нм

Домены 1 см (псевдокристаллы) 1 мкм 1 мм 1 Ангстрем 1 нм 11

Механические свойства Величина критического Сверхпроводящее тока Jc изделие Наноуровень структуры определяет интенсивность магнитной левитации – Фундаментальные важнейшего физические свойства функционального (химический и фазовый свойства 12 состав) Тс

Maglev Германия США Япония Нанотехнология – совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется в первую очередь наноструктурой. Наноматериалы (НМ) – продукты нанотехнологий , важнейшие функциональные свойства которых определяются нано уровнем их структуры (1 - 100 нм).

Морфологическое многообразие • Специфика объектов наномира заключается в поразительном многообразии форм организации вещества даже при постоянном составе. • Пример : диоксид титана содержится в «титановых белилах» и может быть использован для очистки воды, воздуха и пр.

Нановискеры (1 D) Нанотрубки (1 D) Пленки (2 D) Наночастицы (0 D) Ti. O 2 Аэрогели (3 D) Мезопористый (0 D) 15

• Объемные (3 D) наноструктурированные материалы. Ж: металлы и сплавы с ультрамикрозернистой структурой, нанокерамика • Наноструктурированные планарные материалы 2 D: пленки и покрытия, нанопечатная литография, самособирающиеся монослои • Наноструктурированные (1 D) материалы: нанотрубки, нановолокна , наноагрегаты и нанопроволоки • Нанодисперсные (0 D ) материалы : нанопорошки , нанокристаллы, квантовые точки • Нанокомпозиты : наноструктурированные матрицы, наночастицы в керамической, металлической или полимерной матрице • Супрамолекулярные материалы

Любой объект (живой организм, кирпич, Газойл-плаза , …) имеет наноуровень структуры, но не всегда этот уровень определяет основные функциональные свойства! 17

Мы состоим из наночастиц Нанообъекты существовали всегда, человечество уже Вирус ~25 000 лет успешно живет среди наночастиц Кости скелета

29 декабря 1959 г. Нобелевский лауреат Р. Фейнман прочитал в Калифорнийском университете свою знаменитую рождественскую лекцию «Там, внизу, много места» Два подхода к созданию наноматериалов: «снизу-вверх» и «сверху-вниз» Ричард Фейман (Richard Feynman)

«Сверху вниз» (физические методы) Дезинтегратор: Порошкообразные вещества поступают в пространство между вращающимися навстречу другу с высокими скоростями дисками (50000 об/мин и более). На роторах имеются специальные твердосплавные лопасти, образующие относительно друга концентрические окружности разных диаметров. Частицы соударяются с выступами, последовательно проходя все круги, перед выходом с последнего из них, имеющего максимальную линейную скорость, частицы испытывают наиболее высокоэнергетическое воздействие. Такой способ измельчения приводит к увеличению дисперсности системы и к дополнительной механохимической активации порошков, проявляющейся в их более интенсивном последующем спекании, либо ускоренном твердофазном синтезе.

«Сверху вниз» (химические методы)

Нужно ли механическое оперирование отдельными нанообъектами? 35 атомов ксенона на пластинке из никеля (1990 г. ) Поатомная сборка: АСМ+220 В+много лет +$ Сканирующая зондовая микроскопия Искусственная сборка на молекулярном уровне практически невозможна Лучший вариант: самосборка и самоорганизация!

«Снизу-вверх» Самосборка наноструктур Коллоидный кристалл из квантовых точек (ФНМ МГУ)

В 1986 г. вышла книга Э. Дрекслера «Машины ЗА созидания: наступление нанотехнологической эпохи» : нанороботы , запрограммированные на самовоспроизводство , способны перерабатывать всю доступную им материю и биомассу, стремительно превратят окружающий мир в «серую слизь» (Grey Goo) www. nanometer. ru (e-NANOS - 2008) В декабре 2003 г. Нобелевский лауреат Ричард Смолли резко критиковал подходы Дрекслера на страницах журнала «Chemical and Engineering News» : «…если бы возможность саморазмножения нанороботов и существовала, то нанороботу , способному мультиплицировать себя со скоростью миллион атомов в секунду, потребовалось бы 20 миллионов лет, чтобы накопить одну унцию продукта саморазмножения. Однако и этот скромный по результатам процесс невозможен, т. к он ПРОТИВ потребовал бы огромных энергетических затрат…»

Космический лифт и наноботы (давайте разберемся!) • Для того, чтобы сделать трос для «космического лифта» планируется использовать одностенные углеродные нанотрубки, которые являются легким и чрезвычайно прочным материалом. Представьте, что один наноробот массой 0. 01 миллиграмма сшивает две одинаковые одностенные углеродные нанотрубки длиной 1 микрон и диаметром 10 нанометров (каждая) за 1 миллисекунду, после чего у него исчерпывается запас энергии, и он «умирает» . Затем два таких же наноробота сваривают куски из двух нанотрубок , сделанных предыдущими нанороботами , вместе на всем их протяжении (таким образом, пучок таких нанотрубок будет в два раза длиннее и в два раза толще). И т. д. Процесс прекращается, когда гигантский пучок достигает длины одну тысячу километров. Каков Ответ: диаметр троса 1 см, будет диаметр полученного троса? Через какой промежуток времени это произойдет? Какова будет 10 триллионов тонн наноботов, масса погибших в процессе сборки троса 40 триллионов лет процесса, нанороботов? но нанотрубка оборвется под собственным весом всего через 100 км 25

Нанотехнологии и общество 2008 26

Нанофобия -Нанофобии антиглобалистов и «зеленых» -Книга Д. Берубе «Нанопурга» , интервью М. Попову -Принц Чарльз, Джой Необходимость открытых дискуссий и просвещения общества

Недобросовестная реклама «Нанокраска» «Автокосметика» «Наноцемент» «Наноноски» Кружка для наноструктурированной воды «Папа» всех бомб Нанокосметика www. nanoware. ru 28

Возможные причины «нанобума» • Появление принципиально новых методов диагностики ноноразмерных объектов (современная электронная микроскопия, туннельная и атомно-силовая микроскопии) • Осознание того, что наноматериалы обладают специфическими магнитными, электрическими, оптическими и др. свойствами, связанными с проявлением квантовых эффектов • Открыт путь к миниатюризации технических устройств и огромной экономии ресурсов

Квантовые эффекты

Магнитоуправляемые наночастицы Субмикронные микросферы Na. Cl : – Fe 2 O 3 ФНМ МГУ Эмбрион

Гипертермия 1 а) 1 б) Ткань молочной железы заражённая раком ВТ 20 с введённой магнитной жидкостью: 1 а) до проведения гипертермии; 1 б) после гипертермии при 43° С в течение 60 мин. (выживаемость раковых клеток 10%)

Фотодинамическая терапия Физфак МГУ в кооперации с Московским Научно–Исследовательским онкологическим институтом им. П. А. Герцена Нанокристалл кремния 5 mm Синглетный кислород 1 канал : «…При взаимодействии наночастиц кремния с лучом, кремний светится ярко-красным. Даже воздух рядом с таким свечением становится полезным: кислород лечит раковые клетки. »

Биокерамика К. х. н. А. Г. Вересов 35

Нобелевская премия по химии 1996 г. Richard E. Smalley Harold W. Kroto Robert F. Curl Высокая плотность тока I = 150 -300 A, DC, высокое давление газа > 300 тор, Ar, фиксированный зазор 1 -3 мм

Углеродные нанотрубки (УНТ) S. Iijima Nature 1991, 354, 56

«Российские» УНТ Углеродная нанотрубка в аморфной углеродной оболочке, диаметр внутреннего канала ОСНТ в оболочке ~ 2 нм; размер оболочки можно варьировать; длина нанотрубок может достигать 0, 1 мм; не агрегированы в пучки, возможно создание проводящих ОСНТ в изолирующей или в проводящей оболочке. Углеродные нанотрубки , обнаруженные в 1952 г. сотрудниками ИФХЭ Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукъяновичем ( «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте» , Журнал физической химии. 1952. Т. 26, № 1. С. 88 -95)

Отечественные научные школы • академик В. А. Каргин, становление науки о полимерах как интегрированной области знания • академик П. А. Ребиндер, становление и развитие многих областей коллоидной химии • академик Б. В. Дерягин, учение о поверхностных силах и их влиянии на расклинивающее давление и свойства тонких жидких пленок • академик И. В. Тананаев, впервые предложивший дополнить классические диаграммы «состав- структура-свойство» координатой дисперсности • пионерские работы В. Б. Алесковского по развитию методов «химической сборки» • создание и внедрение в атомную энергетику оригинальных технологий получения ультрадисперсных (нано-) порошков, выполненное группой советских ученых под руководством И. Д. Морохова • Вице-президент РАН, Нобелевский лауреат Ж. И. Алферов, полупроводниковые гетероструктуры

Углеродные нанотрубки Субангстремный электронный микроскоп высокого разрешения FEI Titan К. х. н. М. Чернышева 40

Неуглеродные нанотрубки Литий-ионные аккумуляторы, гибкие катоды Асп. ФНМ. А. В. Григорьева Платина Диоксид титана Катализ, дожиг топлива Оксид(ы) ванадия

Манганитные вискеры Топливные элементы? К. х. н. Е. А. Померанцева Ba 6 Mn 24 O 48

Sn. O 2 Ст. ФНМ П. Кочергинская Сенсорика?

V 2 O 5 Наноионика? Асп. ФНМ Д. М. Иткис 44

Керамические мембраны и нанокомпозиты Асп. ФНМ К. Напольский 45

10 нм – графеновая память Дж. Тур А. Синицкий Университет Райса (США) Nature Materials Асп. А. Синицкий Микросферная литография 46

Фотонные кристаллы Самосборка в мениске 47

Наноматериалы для истребителя пятого поколения (ВИАМ) 48

“Нанотехнологии – это ворота, открывающиеся в совершенно новый мир” (Р. Колвел, NSF)

Для чего нужны НТ (Foresight Nanotech Institute)? • создание новых экологически чистых источников энергии • обеспечение потребностей в чистой воде и воздухе • улучшение здоровья и увеличение продолжительности жизни • максимальное увеличение продуктивности сельскохозяйственного производства • доступность информационных технологий повсюду • продвижение в освоении космического пространства • … 50

Сложность НТ образования • Междисциплинарность • Наукоемкость • Фундаментальность • Практическая подготовка (современное оборудование и методы синтеза, метрология. . . ) Редкость и сложность подготовки «элитарных» специалистов Крупные НОЦ, ЦКП Проблема междисциплинарного образования Социальные аспекты нанотехнологий

Основные идеи Faculty of Materials Science (MSU) MSE faculties (EU, USA, …) Анализ Надежность Синтез Применения Универсальные Химия Математика специалисты для науки и техники Физика Научная Свойства работа Навыки Явления Карьера Ограниченное Индивидуальный число подход талантливых студентов Междисциплинарность (Теория + Практика) + МГУ Факультет существует с 1991 года под патронажем Российской Академии Наук и лично ректора МГУ. За это время накоплен большой опыт в работе с талантливой молодежью.

Первая / Вторая Интернет-Олимпиада по нанотехнологиям Организатор –Московский Университет Участники – 1060/2300 – регистрация География – 9 /15 стран, 90/165 городов Возраст – 20. 5/19. 5 лет Туры – 1 (заочный тур) / 2+1 Спонсоры – Нацпроект «Образование» / Роснанотех, ОНЭКСИМ, НТ МДТ, Токио Боеки. . . www. nanometer. ru www. msu. ru www. fnm. msu. ru III Олимпиада – 1 марта 2009 г. 53

Победители олимпиады на ФНМ Е. Козлякова (2 года борьбы!) А. Поляков ( «Романтик НТ» ) Е. Смирнов 54 (лучший студент МГУ - 2008)

Выставка-конкурс научной фотографии (Фестиваль науки) Цель конкурса - популяризация знаний в области наноматериалов и нанотехнологий , а также пропаганда современных достижений отечественной науки, формирование положительного общественного мнения о нанотехнологиям, привлечение молодежи в науку. Организаторы - асс. ФНМ А. В. Гаршев, доц. В. И. Путляев, акад. Ю. Д. Третьяков Студенты ФНМ МГУ перед стендом выставки- конкурса научной фотографии.

Манганиты с колоссальным магнетосопротивлением Одномерные ионные проводники Фотокатализатор 56 на основе Ti. O 2 Биокристаллизация

«Снежинки» «Смайлик» (тетраподы Zn. O) (магнитный фотонный кристалл Ni) «Искусственный разум» «Розы» (гидрокид алюминия) (гидрокид магния) «Волосы нанорусалки» (углеродные нанотрубки)

«Бактерия Helicobacter pylori» «Яблоки на Луне» «Морская живность» «Останки древнего нанонаутилуса»

ЧТО ЧИТАТЬ ПРО НАНОТЕХНОЛОГИИ • Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. Ю. Д. Третьякова. 2 -е издание (2008). • У. Хартман «Очарование нанотехнологий» , М. Бином (2008) • R. Booker , E. Boysen « Nanotechnology for dummies» (2005) Лауреат Нобелевской • Ю. И. Головин «Введение в премии Жан Мари Лен нанотехнику » , Машиностроение (2007) • Ч. Пул, Ф. Оуэнс , « Нанотехнологии » , Техносфера (2008) • Ю. Альтман «Военные нанотехнологии» (2006)

Интернет-сайты по нанотехнологиям Информационный портал www. nanometer. ru В течение 2006 -2008 г. сайт опубликовал: Более 1050 новостей и 170 статей и интервью (в том числе с членами РАН) 90 информационных бюллетеней и учебных материалов 180 сообщений о новых научных группах 1 50 объявлений о конференциях и предложений о работе Ñ 220 научных оригинальных фотографий Ñ Сайт Олимпиады по нанотехнологиям Ñ Интернет-курсы повышения квалификации в области нанотехнологий Ñ Премии им. члена - корр. РАН Н. Н. Олейникова в области нанотехнологий Ñ Конкурсы 2006 - 2008 научной фотографии «Красота наноматериалов» Ñ Рассылки по 6000 пользователям, отдельные группы – Нанотехнологическое общество РФ, Общественный Совет по образованию в области нанотехнологий , участники конференций НАНО-2007, 2008 Другие российские сайты по нанотехнологиям: www. nanorf. ru; www. nanonewsnet. ru; http: //popular. rusnano. com/ Сайт американского правительства, посвященный нанотехнологиям: www. nano. gov Словарь нано-терминов: http: //www. nanotechnology. bessmertie. ru/nano-termin. shtml Поиск нанотерминов в научных новостях и публикациях: www. azonano. com 60

Журналы по нанотематике • «Наноиндустрия» • «Nature «Nanotechnology» • «Нано- и микросистемная техника» • «Nano letters» • «Нанотехника» • «Nanotoday» • «Small» • «Российские нанотехнологии» • «Nanotechnology» • «Бюллетень Нанометр» • «Nano» • «Journal of Nanoparticle Research» • «Nano. Ethics» • «Nano. Now» • «Journal of Experimental Nanoscience» • «Physical Review B» • «Journal of Applied Physics» • «Applied Physics Letters» • «Langmur» • «Advanced materials» • «Chemistry of Materials» • «Journal of Materials Chemistry» • «Journal of Materials Science» • «Materials Letters»

Международный форум по нанотехнологиям РОСНАНО Е. А. Померанцева, ФНМ МГУ 62

Дорога к истине заказана Непонимающим того, Что суть не просто глубже разума, Но вне возможностей его… (И. Губерман) www. fnm. msu. ru www. nanometer. ru Тел. 939 -45 -51

Из статьи Алексея Малашенко (“Независимая газета” 19. 02. 2008 г. ): “…Слава богу, что нанотехнология была лишь упомянута. Откровенно говоря, темное это дело. С ней спешить не надо. А вдруг рублей не хватит и придется переквалифицировать ее в “продажную девку империализма”…”