6.2. ОБЛАСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Квантовомеханические расчеты показывают нам, что энергия связи атомов в малых частицах меньше, чем в обычных материалах. Кроме того, у наночастиц значительная доля атомов является поверхностной, т.е. у них повышенная потенциальная энергия. С учетом усиленной по сравнению с объемными материалами спиновой поляризацией химическая активность наночастиц позволяет им выступать катализаторами необычных процессов и существенно ускорять процессы, уже применяемые в химическом производстве. Принято наночастичное состояние вещества называть высокоэнергетическим по сравнению с металлами, полупроводниками в обычном состоянии. Высокоэнергетическое состояние сохраняется и при компактировании в большой объем, поскольку границы между частицами не исчезают (рис. 27).

Рис. 27. Пример компактирования наночастиц (Процесс, происходящий при синтезе наноструктурированных материалов)

Очевидно, высокоэнергетическое состояние возникнет, если мы тем либо иным способом будем измельчать большие куски идеальных материалов. Таким образом, получение наноструктурных материалов с необычными свойствами требует особых технологических приемов. Надо сказать, нанотехнологии имеют древние корни. Еще в средние века мастера-стеклодувы на острове Мурано близ Венеции изготовляли люстры с удивительно красивым и непохожим на другие свечением. Их секрет был разгадан лишь 3 года назад. Оказывается, эти мастера научились вводить в стекло частички золота размером 10–20 нм. Наночастицы и создавали эффекты ореолов.

Таким образом, первая нанотехнология, по-видимому, основывалась на длительной проковке золотых пластин. Применить эту технологию к любому материалу не удается. Изначально хрупкие из них будут рассыпаться под молотом, а пластичность пластичных по мере роста числа ударов будет понижаться, и они станут рассыпаться до того, как блоки измельчатся до наноразмеров. Если же проводить нагрев, то эффект измельчения исчезнет. Для разработки общих принципов технологии такого рода требуется тщательное научное исследование.

Другим способом является способ равноканального прессования. Представим себе толстостенную трубу, согнутую под прямым углом. Если с одной стороны трубы мощным прессом заталкивать кусок металла, то на изгибе произойдет сложное движение внутри этого куска, и зерна частично измельчатся. Раз за разом пропуская материал через этот канал, мы измельчаем зерна и получаем материал с новыми свойствами. Чтобы такой материал можно было эффективно использовать, нужно хорошо понимать физику этого состояния, найти научно обоснованные пути его сохранения при дальнейшей обработке в ходе изготовления деталей и конструкций. Полученные с использованием отмеченных технологий материалы применяются в самолето- и ракетостроении, для изготовления протезов. Не каждый металл можно использовать для замены либо ремонта костей человека. Например, золото не вредно для организма, но тяжелое, непрочное  и дорогое, никель не ржавеет, но тяжел и может вызвать заболевание раком. Титан и химически стоек, и легок, не содержит вредных примесей, но его обычные механические свойства не совсем хороши для протезов. А вот наноструктурный титан обладает всеми достоинствами, необходимыми для медицинского применения.

Развитие микроэлектроники вызвало потребность создания технологий, способных создавать конструкции поатомно. Лазерный пучок испаряет атомы с поверхности обычных материалов, эти атомы осаждаются на холодную подложку и формируют наночастицу заданной структуры.

Рис. 28. Результат молекулярно-кинетичекой технологии (Квантовые нити и квантовые кольца Ge на поверхности Si(111))

Созданы целые производства, выпускающие наноприборы методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Таким способом создаются микросхемы, содержащие на 1 см2 пластинки кремния тысячи диодов, транзисторов и других элементов электронных приборов; гетероструктуры, в которых на уровне межатомных связей объединяются полупроводники разных составов, слои из атомов разных элементов, чего нельзя сделать традиционными способами. Идет проработка технологий создания квантовых точек из нескольких атомов, способных улавливать электроны с заданным направлением спина – собственного магнитного момента. Закладываются основы спинтроники, научного и технологического направления, обещающего дать элементы запоминающих устройств, содержащих не 1023 атомов, а всего несколько сотен штук.

Нанонаука, нанотехнологии – уже реальность, и применение способностей, усилий человека в этой области деятельности есть и будет весьма эффективно. Возвращаясь к проблеме биосовместимости, укажем: имеющиеся научные результаты показывают явную аналогию в поведении наночастиц с биологическими объектами: