За пределами видимого: как нанотехнологии меняют нашу реальность?

Что такое нанотехнологии?

Нанотехнологии – это область науки, в которой изучаются свойства объектов размером до 100 нанометров и разрабатываются качественно новые материалы с их применением. Объекты размером в несколько нанометров (одна миллионная доля миллиметра) ведут себя принципиально иначе в сравнении с теми, размер которых превышает условный порог в 100 нм.
Причин этому несколько. Основные – высокая удельная площадь поверхности таких частиц и их большая поверхностная энергия. «Глубинные» причины такого поведения кроются уже в области квантовой физики. Тем не менее, современный уровень технологий позволяет получать и успешно использовать подобного рода частицы из различных материалов – углеродных, полупроводниковых, металлических.

Евгений Рогачев. Фото: пресс-служба ОмГТУ

Почему сегодня есть необходимость развивать эту область науки?

Традиционные материалы конструкционного и функционального назначения уже не способны удовлетворять запросам, предъявляемым со стороны современной техники. Материалы должны становиться легче, прочнее, приобретать нетипичные для них свойства. Решение таких задач возможно лишь с применением нанотехнологий, что делает эту отрасль наиболее востребованной.

Как создаются наноматериалы?

Наноматериалами называют вещества, полученные с использованием наночастиц или по технологиям, позволяющим сформировать в них наноструктурированные области (поверхностные, объемные). Принципиально способы изготовления наноматериалов делятся на две категории: управляемый синтез наночастиц (сборка атомов) и диспергирование (измельчение) макрочастиц.

В каких отраслях они используются?

Обладая повышенной прочностью, твердостью, износостойкостью и малым весом, они находят свое применение в области машиностроения, инструментальной техники, электроники (носители информации, сенсоры, суперконденсаторы, сверхповодники и т.д.), в космической отрасли.
Защита материалов от воздействия агрессивных сред, температурных, высокоэнергетических воздействий также возможна при помощи применения покрытий с использованием наночастиц. В медицине наноматериалы выигрывают благодаря возможности обеспечения высоких эксплуатационных характеристик, сочетающихся с биосовместимостью. Нанопорошковые лекарства показывают свою большую эффективность в сравнении с традиционными формами.

Какие тенденции вы видите в развитии нанотехнологий в ближайшие 5–10 лет?

Основным вектором развития в ближайшие годы является разработка технологий упорядоченного синтеза, отличающихся высокой скоростью производства.
Одним из наиболее ярких примеров наноматериалов, которые в настоящее время получили широчайшее распространение, являются углеродные нанотрубки (УНТ). Применение их при производстве полимеров позволяет придать им, например, электропроводные свойства при малых концентрациях. Протяженность УНТ (длина достигает нескольких микрометров при толщине от 5 нанометров), позволяет обеспечить повышенную прочность полимеров и эластомеров с сохранением их высоких эластичных свойств.
За последние 5–10 лет стоимость углеродных нанотрубок снизилась в 20–30 раз и продолжает снижаться в связи с увеличением массовости их производства. В связи с этим многие ученые, в том числе и в ОмГТУ, стали активно применять их в своих разработках. В настоящее время в политехе ведутся работы по созданию электродов для суперконденсаторов. Научный коллектив с моим участием занимается разработкой материалов электротехнического и триботехнического назначения с применением УНТ и наноразмерного технического углерода.

Можно ли в Омском политехе изучать нанотехнологии и наноматериалы?

Этот вид деятельности является доступным благодаря приборной базе, которой обладает ОмГТУ. В частности, в научно-образовательном ресурсном центре «Нанотехнологии», директором которого я являюсь, имеется ряд уникальных инструментов, позволяющих идентифицировать нанообъекты, исследовать структуру и свойства материалов с наномасштабным разрешением. К числу таких инструментов относятся растровый электронный микроскоп, позволяющий не только получить разрешение до десятка нанометров, но и определить элементный состав этих объектов.
Зондовая нанолаборатория позволяет выполнять 3D-визуализацию объектов с нанометровым разрешением (биологических, полимерных, металлических и других), а также изучать локальные свойства исследуемых материалов (механические, триботехнические, электрофизические). Методом рентгеновской дифрактометрии возможно установление закономерностей взаимного расположения атомов вещества, что позволяет исследовать особенности их кристаллической структуры, изучение фазового состава материала. Это не полный перечень методов исследования, доступных в центре в частности и в вузе в целом, однако это отражает факт не просто возможности изучения нанотехнологий и наноматерилов в ОмГТУ, а реальной работы, которая ведется в этом направлении.