Нанонаука

НАНОНАУ́КА (від нано... та наука). Н. зародилася на стику фізики конденсованих систем, неорганічної хімії, фізичної хімії, біохімії, електроніки і є інтегров. наукою типу кібернетики. Вона відображає сучасну тенденцію до мініатюризації та ви­значає межі зменшення структур. одиниць різноманіт. пристроїв. У певному розумінні Н. є своєрід. містком між атомно-молекуляр. та колоїдно-дисперс. рівнями мате­ріал. об’єктів. У процесі еволюції уявлень про наносистеми сформувалися заг. принципи і підходи до їх аналізу незалежно від природи компонентів, що утворюють наносистему. Її можна визначити як набір n-вимір. нанооб’єктів — нуль­вимірних (0D) наночастинок (квант. точок), одновимірних (1D) волокон або нанодротин, двовимірних (2D) наноплівок, просторо­вих (3D) нанокристалів чи агрегатів, протяжність яких хоча б в одному вимірі знаходиться в межах 0,1–100 нанометрів (нм), а також властивостей цих об’єктів і взаємодії між ними. Крім того, як обов’язк. компонент до складу наносистеми також входить довкілля. Така система неоднорідна, бо, по-пер­ше, неоднорідним є середовище, а, по-друге, нанотіла також неіден­тичні. Розміри наночастинок суттєво впливають на магнітні, електр., оптичні властивості наносистем. Напр., залежність енергет. власти­востей сферич. наночастинок від їхнього розміру можна виразити співвідношенням E = αr³ + βr² + γr, де r — радіус частинки; α, β, γ — де­які константи. Перший чл. у цьо­му співвідношенні виражає об’єм­ну енергію, другий — поверхневу, третій — характеризує поверхн. на­тяг. У наночастинках значна кількість атомів знаходиться на поверхні і, відповідно, їх частка зро­стає зі зменшенням розмірів наночастинок. Одночасно збільшується внесок поверхн. атомів у заг. енергію системи. Звідси випливає низка важливих термодинам. наслідків, зокрема: зниження температури плавлення, зміна температури поліморф. перетворень, збільшення розчин­ності, зміщення хім. рівноваги. Тому на підставі великої кількості екс­перим. даних і результатів теор. розрахунків можна стверджувати, що розмір частинок є термодинам. змінною, що разом з іншими визначає стан системи і реакційну здатність наночастинок. Розмір наночастинок, що суттєво впливає на оптичні властивості, можна роз­глядати як аналог температури щодо впли­ву на стан хім. рівноваги чи на швид­кість реакції. Спектрал. харак­теристики наночастинок визначаються їхніми розмірами, отже, дослідж. оптич. властивостей наносистем дає змогу знайти розміри їх структур. одиниць і, нав­паки, використовуючи ті самі час­тинки, але ін. розміру, можна змі­нити оптичні характеристики сис­теми загалом. Нанорозмір. ефект також чітко проявляється у мех. властивостях наносистем. Перехід пластич. металів у нанокристаліч. стан супроводжується збіль­шенням їхньої твердості у 4–6 ра­зів, а крихких матеріалів (нітридів, карбідів, боридів тощо) — у 2–3 ра­зи порівняно зі звичай. полікристаліч. зразками. Наночастинки не є індивід. хім. сполуками — це суператомні та надмолекулярні утво­рення, що входять до складу нерівноваж. наносистеми. Тому тер­модинам. описання фазової чи хім. рівноваги в наносистемах зустрічає значні труднощі, оскільки тут не прийнятні класичні підходи, що використовують для аналізу рівноваж. хім. систем. Нанотехнологія — це сукупність ме­тодів виробництва продуктів із заданою атом. структурою шляхом ма­ніпулювання атомами та молекулами. Префікс нано- означає одну мільярдну (10^-9) частку якої-небудь одиниці (напр., метра), а ато­ми й найдрібніші молекули мають розмір порядку 0,1 нм. Засн. нанотехнологій можна вважати грец. філософа Демокрита, який 2400 р. тому вперше використав слово «атом» для описання найменшої частинки речовини. 1905 А. Айнштайн опублікував роботу, в якій довів, що розмір молекули цукру складає приблизно 1 нм. 1931 нім. фізики М. Кнолл та Е. Рус­ка створили електрон. мікроскоп, який уперше дозволив досліджувати нанооб’єкти. 1959 амер. фізик Р. Фейнман уперше опублікував роботу, де оцінювалися перспективи мініатюризації, та науко­во довів, що з точки зору фундам. законів фізики немає ніяких перешкод для того, щоб створювати ре­чі безпосередньо з атомів. Він навіть призначив приз у 1000 дол. тому, хто перший запише сторінку з книги на головці шпильки, що, між іншим, було здійснено вже 1964. Співробітники наук. підрозділу амер. компанії «Bell» А. Чо і Дж. Артур 1968 розробили теор. основи нанооброблення поверхонь. 1974 япон. фізик Н. Танігучі увів у наук. користування слово «нанотехніка», запропонувавши так називати механізми розміром мен­ше 1 мікрона. 1981 нім. фізик Ґ. Бін­ніґ і швейцар. учений Г. Рорер ство­рили сканувал. тунел. мікроскоп — прилад, що дозволяє здійснювати вплив на речовину на атомар. рівні (Нобелівська премія, 1986). Амер. фізики Р. Керл, Г. Крото та Р. Смол­лі 1985 винайшли технологію, що уможливлює точно вимірювати предмети діаметром в 1 нм. 1986 створ. атомно-силовий мікроскоп, що дозволяє, на відміну від тунель­ного, здійснювати взаємодію з будь-­якими матеріалами, а не ли­ше з електропровідними. 1986 на­но­технологія стала відомою для широкої аудиторії, амер. футуролог Е. Дрекслер опублікував книгу, в якій передбачив, що найближчим часом вона почне активно розвиватися. Вже 2004 світ. інвестиції в нанотехнології склали бл. 12 млрд дол., а 2020, за версією Всесвіт. екон. форуму, ринок кінц. нанопродуктів зріс до 1,5 трлн дол. В Україні Н. розвивається в рамках цільової комплекс. програми фундам. дослідж. «Наноструктурні сис­теми, наноматеріали, нанотехнології» НАНУ, програми фундам. дослідж. Міністерства освіти і науки Укра­їни та ін. програм мін-в і відомств.

Завантажити статтю