Читать онлайн «Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности». Страница 53

13.2. Наночастицы

В последнее время исследователи все чаще проявляют интерес к изготовлению и изучению свойств наночастиц (частиц с диаметром менее 100 нм). Эти объекты обещают стать основой реального внедрения новых технологий, вследствие чего их производство уже сейчас стало важным и неотъемлемым сектором возникающего рынка коммерческих нанопродуктов. Как выяснили историки науки, частицы нанометрового размера использовались (разумеется, без всякого научного обоснования) еще в глубокой древности, и, например, прославленная окраска древнеримских стеклянных ваз объясняется присутствием в стекле нанокластеров атомов золота [55] . В качестве современного примера использования наночастиц можно указать на угольную сажу, добавляемую в автомобильные покрышки для повышения их прочности и износостойкости. Масштабы коммерческого производства сажи для этих целей весьма внушительны: в 2000 году годовой объем ее выпуска составлял 6 миллионов тонн [56] . Интерес к наночастицам диктуется тем, что при высокой степени измельчения существенно изменяются физико-химические свойства (механические, оптические, магнитные и т. д.) практически всех веществ. Кроме того, размеры наночастиц позволяют им вступать в прямой контакт на молекулярном уровне с биологическими тканями и системами, осуществляя необходимое взаимодействие.

На рис. 13.1 изображены стандартных наночастиц, из которых (для наглядности) сформирована более крупная частица микронного размера.

Рис. 13.1. Частица TiO2 микронного размера, сформированная из наночастиц (микрофотография предоставлена фирмой Altair Nanotechnologies, Inc.)

13.2.1. Применение наночастиц

Многие читатели наверняка помнят, что еще несколько лет назад крем от загара представлял собой непрозрачную молочно-белую мазь, цвет которой объяснялся наличием в ней микронных частиц окиси цинка, которые и поглощали вредную для кожи ультрафиолетовую часть солнечного излучения. В настоящее время производятся прозрачные кремы, гораздо более удобные и привлекательные для потребителей. Коммерческий успех новых косметических препаратов объясняется тем, что в их состав входят частицы той же окиси цинка, но измельченные до нанометрических размеров. Такие частицы по-прежнему пропускают большую часть солнечного света, но сохраняют способность поглощать опасные волны УФ-области спектра. Позднее для этих же целей стали использоваться наночастицы другого известного белого красителя (двуокиси титана), то есть простая замена микронных частиц на нанометрические позволила создать новый и весьма успешный коммерческий продукт в косметической промышленности [57] .

Изменение свойств частиц двуокиси титана позволило им найти еще одно важное техническое применение при так называемой сенсибилизации красителем рабочего вещества солнечных батарей. Эффективность преобразования света такими батареями определяется в первую очередь способностью частиц вещества поглощать солнечное излучение. Обнаружилось, что наночастицы двуокиси титана благодаря своей очень большой суммарной площади поглощают свет в тысячи раз (!) сильнее обычных, объемных кристаллов того же состава [58] , не говоря уже о том, что солнечные батареи с сенсибилизацией красителем оказались намного дешевле в производстве, чем известные фотоэлектрические устройства на основе кремния. Сейчас наноматериалы такого типа все шире используются в промышленности, доказательством чего стала организация их промышленного выпуска в Австралии (2001 год) [59] .

Еще один очень важный коммерческий рынок наночастиц связан с полупроводниковой техникой. Речь идет о процессе так называемой химикомеханической планаризации (chemical mechanical planarization, CMP) в производстве чипов (микросхем), когда на поверхность обрабатываемой пластины в нескольких точках наносятся требуемые компоненты, которые затем «размазываются» по этой поверхности ровным слоем с почти атомарной точностью. Обработка большой по размерам (до 300 мм) кристаллической поверхности с такой немыслимой точностью является очень сложной технической задачей, которую невозможно решить существующими методами! В новом методе на поверхность устройства наносится суспензия наночастиц, которые затем используются в комбинированном процессе химического удаления и механического трения, в результате чего поверхность «полируется» с атомной точностью. Такой процесс оказался весьма эффективным при использовании наночастиц многих распространенных полупроводниковых материалов (оксиды алюминия, кремния, церия), в результате объем рынка изделий, полученных методом CMP, вырос с 250 миллионов долларов в 1996 году почти до 1 миллиарда в 2000 году. При этом производство исходных компонент для самого процесса CMP (суспензии наночастиц, полировальные установки), естественно, стало самостоятельным сектором рынка материалов, и его объем в 2005 году составлял около 800 миллионов долларов [60] . Учитывая постоянную тенденцию полупроводниковой промышленности к миниатюризации и повышению точности обработки, можно быть уверенным, что рынок товаров и услуг, связанных с процессом CMP, будет и далее развиваться.

Упомянутые выше технологии относятся к известным и уже внедренным, но стоит упомянуть, что сейчас идет процесс коммерциализации и технической доработки многих других технологий, основанных на применении наночастиц. Например, профессора Пол Аливисатос (Калифорнийский университет, Беркли) и Мунджи Бавенди (Массачусетский университет) предложили новые процессы изготовления полупроводниковых наночастиц из материалов типа селенида кадмия (CdSe) и теллурида кадмия (TeSe). Частицы этих веществ, покрытые слоем сульфида цинка, приобретают способность поглощать свет в ультрафиолетовом диапазоне волн, а затем излучать свет в видимом диапазоне, что связано с так называемыми эффектами квантового удержания, причем длина волны излучения при этом зависит от размера используемых наночастиц. Такие источники намного превосходят известные излучатели (на флуоресцентных химических красителях) по стабильности работы и яркости излучения, но особую ценность им придает то, что наночастицы могут быть химически связаны с белками, олигонуклеотидами или просто небольшими молекулами. Наночастицы придают этим соединениям совершенно новые функциональные характеристики и тем самым открывают перед биологическими структурами и молекулами огромные перспективы в медицине и биотехнологиях в качестве флуоресцентных «меток» [61] . Более того, исследования показали, что длина волны излучения нанокристаллов кремния (диаметром менее 4 нм) в видимом диапазоне также зависит от размера кристаллов. Созданные на этой основе излучатели оказались гораздо более эффективными, чем используемые сейчас в твердотельной технике флуоресцентные и другие источники, что позволяет найти им много возможностей технического применения [62] . [Наночастицы многих веществ демонстрируют совершенно удивительные свойства, позволяющие использовать их в качестве катализаторов и т. п. Читатель может ознакомиться с этой проблемой в статье Ф. Болла «Новая алхимия» в журнале «Химия и жизнь», № 1, 2006. Прим. перев. ]

С уменьшением размеров кристаллитов до нанометров существенно изменяются их не только физические, но и химические свойства (в частности, каталитическая активность), ярким примером чего может служить поведение золота. Известно, что в обычном объемном состоянии золото химически является достаточно инертным элементом. Однако осажденные на поверхность золота частицы диоксида церия в неметаллической форме (в виде нанокластеров) в очень низких концентрациях (около 0,2–0,9 ат. %) становятся исключительно активными катализаторами известной реакции конверсии водяного газа [63] , при которой моноксид углерода и вода превращаются в двуокись углерода и водород. Эта реакция является ключевой в механизме действия топливных элементов на углеводородном топливе, которое в таких элементах превращается в водород и углеродсодержащие продукты. Давней мечтой разработчиков и производителей топливных элементов было доведение до максимума выхода водорода, то есть снижение до минимума количества непрореагировавшего моноксида углерода, который является «катализаторным ядом» электрокаталитической реакции внутри самого элемента. Использование наночастиц с указанным и очень небольшим количеством золота исключительно выгодно с экономической точки зрения, так как в используемых ранее катализаторах содержание благородного металла доходило до 10 ат. %.