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. обʼєктів. 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. нанообʼєктів — 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 обʼєктів і взаємодії між ними. Крім того, як обовʼязк. 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 обʼєм­ну 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 нанообʼєкти. 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