ОглавлениеПосвящение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...
Оглавление Цвет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....
ОглавлениеГЛАВА 6. Медицина ........... . . . . . . . . . . . . . . . . ...
Оглавление ГЛАВА 9. Электроника и сенсоры ............... . ...
Оглавление ЧАСТЬ IV. БУДУЩЕЕГЛАВА 12. Бизнес и инвестиции . . . . . . . . . . . . . . . . ...
Оглавление Керамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...
Посвящение Эта книга посвящается Ричарду Э. Смолли (Richard E. Smalley),профессору химии и физики Университета Райс (Ric...
Об авторах Линда Уильямс — автор многих научно популярных книг по хи мии, медицине и космонавтике. Она была ведущ...
Предисловие Эта книга предназначена для всех, кого интересует наномасштабный мир и кто хочет больше узнать об этой увлек...
Предисловие центрации собственной творческой энергии для решения важнейших проблем в науке и технике. В эт...
Предисловиемывания прочитанного материала потребуется определенное время.К очередной главе рекомендуется переходить только...
Благодарности Иллюстрации для книги были подготовлены с помощью программ PowerPoint и Word от компании Microsoft...
Часть IОТКРЫТИЕ
Глава 1 Открытие фуллерена Иногда (раз в сто или даже тысячу лет) человечество откр...
ЧАСТЬ I Открытие в ближайшие 10–20 лет нас поразят совершенно новые продукты, созданные на основе нанотехнологий...
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена В 1907 г. Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), ученикДж. Дж. Томсона, развил современную кон...
ЧАСТЬ I Открытие Чтобы представить себе структуру атома, вообразите, что ядро имеет размер мячика для игры в на...
ГЛАВА 1 Открытие фуллеренаСвязь, которая удерживает два атома вместе, называется химической связью. Молекула — это комбина...
ЧАСТЬ I Открытие вывать огромное, почти бесконечное, количество комбинаций. Од нако ученые обнаружили сравнительно...
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Вещество ФормулаОксид галлия ...
ЧАСТЬ I Открытие ные моменты игры, например во время атаки, положение игроков может быть разным. Расположение и фу...
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Он поразил аудиторию простой и смелой научной идеей (длятого времени и с помощью доступных т...
ЧАСТЬ I Открытие атомный силовой микроскоп (atomic force microscope), один из наи более популярных инструментов эр...
ГЛАВА 1 Открытие фуллеренаКрото и Смолли. Эту премию вручили 10 декабря 1996 г. в 100 летнюю годовщину смерти ее основател...
ЧАСТЬ I Открытие спектрометра, который способен измерять длины волн излучения и энергии отдельных элементов. Однаж...
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Рис. 1.6. В угле и графите атомы углерода расположены в плоскостях, в алмазе — в объемной ...
ЧАСТЬ I Открытие Однако алмаз не проводит электрический ток. Дело в том, что все электроны в нем прочно удержи...
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Однослойные углеродные нанотрубки В 1991 г. Сумио Ииджима (Sumio Ii...
ЧАСТЬ I Открытие стали. Углеродные нанотрубки и фуллерены являются наиболее уди вительным открытием в области мате...
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
Nanotehnologii without secrets
of 363

Nanotehnologii without secrets

Published on: Mar 3, 2016
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Nanotehnologii without secrets

  • 1. ОглавлениеПосвящение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Об авторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 ЧАСТЬ I. ОТКРЫТИЕГЛАВА 1. Открытие фуллерена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 В начале всех начал. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 «Внизу полным полно места» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Графит, алмаз и фуллерены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Однослойные углеродные нанотрубки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Вперед! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36ГЛАВА 2. Наномасштаб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Всегда ли следует верить тому, что мы видим . . . . . . . . . . . . . . 38 Микро и нано . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Размер имеет значение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Открытие микромира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Подробнее о масштабах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Международная система единиц — СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Периодическая таблица элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Биологическая номенклатура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Номенклатура нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50ГЛАВА 3. Что особенного в наномире .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Формы углерода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Однослойные углеродные нанотрубки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Наностержни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5
  • 2. Оглавление Цвет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Поверхностная площадь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Квантовая механика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Производство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Новые продукты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Наноботы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 ГЛАВА 4. Наноинструменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Инструменты для новых открытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). . . . . . . . . . . . 69 Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) . . . . . . . . . 71 Аналитический электронный микроскоп (АЭМ) . . . . . . . . . . . 71 Сканирующий туннельный микроскоп. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Атомно силовой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Мультифункциональные микроскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Лазерный сканирующий конфокальный микроскоп . . . . . . . . . 76 Другие инструменты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Наноинструменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Теория и компьютерное моделирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Тест к части I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 ЧАСТЬ II. «МОКРЫЕ» (ОРГАНИЧЕСКИЕ) ПРИЛОЖЕНИЯ ГЛАВА 5. Биология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Граница раздела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Уотсон и Крик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Код ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Наблюдение за биологическими структурами и процессами . . . . . 103 Наблюдение за однослойными углеродными нанотрубками. . . . 104 Биологические наносенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Поверхностное натяжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Вязкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Электрическая кинетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Жидкостная электросиловая микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . 111 Влияние на биологический мир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
  • 3. ОглавлениеГЛАВА 6. Медицина ........... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Методы лечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Кремниевые нанопровода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Борьба с раком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Биологическая инженерия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Самосборка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Многофункциональная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Нанотоксичность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Медицина будущего. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137ГЛАВА 7. Охрана окружающей среды ......... . . . . . . . . . . . . 139 Загрязнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Нанотехнологии в охране окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . 142 Очистка воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Нанотехнологии и государственные приоритеты . . . . . . . . . . . . . 148 Факторы риска окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Международный совет по нанотехнологиям . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Глядя в будущее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Тест к части II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 ЧАСТЬ III. «СУХИЕ» (НЕОРГАНИЧЕСКИЕ) ПРИЛОЖЕНИЯГЛАВА 8. Материалы .......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Умные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Производство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Нанокристаллические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Нанокристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Биологические маркеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Нанокомпозиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Нанокольца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Нанопокрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Нанооболочки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Катализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Микрокапсулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7
  • 4. Оглавление ГЛАВА 9. Электроника и сенсоры ............... . . . . . . . . . 189 Закон Мура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Иммерсионная литография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Плоскостной транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Полевой транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Нанотранзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Электронная гонка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Главная надежда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Единообразие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Подвешенные нанопровода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Напыленные нанопровода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Свойства и применения нанопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Квантовые эффекты в наномасштабной электронике . . . . . . . . . . 206 Биологические наносенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Биологические чипы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 ГЛАВА 10. Коммуникации ................ . . . . . . . . . . . . . 212 Квантовые коммуникации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Атомарное позиционирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Влияние размеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Нанооптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Нанолинзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Беспроводные технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Компьютерная и общественная безопасность . . . . . . . . . . . . . 224 Прогресс видеотехнологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Хранение информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 ГЛАВА 11. Энергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Доступность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Эффективность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Альтернативные виды энергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Будущие исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Инвестиции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Энергетика будущего . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2488 Тест к части III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
  • 5. Оглавление ЧАСТЬ IV. БУДУЩЕЕГЛАВА 12. Бизнес и инвестиции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Игроки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Нанопровода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Клеточная терапия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Наноструйная техника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Биологические угрозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Компьютеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Ассемблеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Группа NanoBusiness Alliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Внедрение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 На что следует обратить внимание в первую очередь. . . . . . . . . . 269 Новые и улучшенные инструменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Локальные центры нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Международные усилия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Программы развития биотехнологий и нанотехнологий . . . . . . 273 Прогнозы на будущее. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Что стоит посмотреть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275ГЛАВА 13. Нанотоксичность и общество .......... . . . . . . . . . 278 Нанотехнологии и общество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Растворимость и токсичность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Образование производных химических веществ . . . . . . . . . . . 282 Международный совет по нанотехнологиям . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Устойчивое развитие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Окружающая среда, здравоохранение и безопасность . . . . . . . . . 286 Оценка риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Распространение информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Международное сотрудничество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Риски и выгоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292ГЛАВА 14. Что дальше? ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Перспективы нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Продукты и рынки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Патенты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Ключевые приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Производство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Медицинские имплантанты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Дисплеи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 9
  • 6. Оглавление Керамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Космические аппараты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Оптоэлектронные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Инфракрасные сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Космический лифт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Геостационарная орбита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Как все это осуществить . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Мир нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Тест к части IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Итоговый экзамен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Русскоязычные ресурсы в Интернете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Англоязычные ресурсы в Интернете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352Ответы на контрольные вопросы к главам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356Ответы на тесты в конце частей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358Ответы на вопросы итогового экзамена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
  • 7. Посвящение Эта книга посвящается Ричарду Э. Смолли (Richard E. Smalley),профессору химии и физики Университета Райс (Rice University).Обладая видением, смелостью и настойчивостью, он подвергал сомнению традиционные представления, пытался объяснить противоречия в природе и естественных науках, искал новые идеи решенияглобальных проблем. Многие выдающиеся достижения в сферах медицины, связи, транспорта и энергетики, несомненно, стали результатом этих усилий. Профессор Смолли ушел из жизни на заключительной стадииподготовки этой рукописи после продолжительной борьбы с раком.Нам будет очень не хватать его проникновенного видения. Линда Уильямс
  • 8. Об авторах Линда Уильямс — автор многих научно популярных книг по хи мии, медицине и космонавтике. Она была ведущим специалистом и техническим писателем в НАСА, компаниях McDonnell Douglas и Wyle Labs, а также в Университете Райс. Линда является автором нескольких научно популярных книг серии «Без тайн» издательства «Эксмо». Доктор Уэйд Адамс — директор Института нанотехнологий им. Смолли в Университете Райс, автор более 190 публикаций, вклю чая несколько обзоров, а также редактор двух книг.
  • 9. Предисловие Эта книга предназначена для всех, кого интересует наномасштабный мир и кто хочет больше узнать об этой увлекательной областинауки. Она будет понятна школьникам, студентам и всем любознательным читателям. Материал излагается последовательно, его можно легко усвоить, если читать книгу от начала до конца. Однако есливас интересуют только отдельные темы, например квантовые точки,наноэлектроника, «лаборатория на чипе» и т. п., соответствующиеглавы можно читать независимо от других. В ходе повествования автор упоминает важнейшие теории и достижения ученых и инженеров в данной области. Эти сведения приводятся, чтобы показать, как вопросы и яркие идеи любознательныхлюдей порой способствовали развитию всего человечества. Наука основана на любопытстве и желании разобраться в происходящем. Лауреаты Нобелевской премии когда то были студентами,искавшими новые пути в науке. Они верили, что на самые трудныевопросы должны существовать ответы, и упорно пытались найти их.Ежегодно кинематографистам вручают «Оскары» за выдающиеся достижения в кино, а ученым — Нобелевские премии; с 1901 г. их получили более 750 ученых. Самым молодым лауреатом Нобелевскойпремии (25 лет) стал физик В. Лоуренс Брэгг (W. Lawrence Bragg)в 1915 г. Альфред Нобель (Alfred Nobel, 1833–1896) получил 355 патентов за свои изобретения. Он завещал, чтобы после его смерти изоставленных им денег выплачивали премии в пяти областях (химия,физика, физиология и медицина, литература и укрепление мира)«тем, кто в предыдущий год сделал наибольший вклад в процветаниечеловечества». В 1968 г. была учреждена Нобелевская премия поэкономике. Нобель хотел обеспечить признание новаторов и достойное вознаграждение творческого мышления в поисках новых знаний. Авторнадеется, что описание открытий, которые изменили понимание сутимногих вещей и процессов, послужит для читателя толчком к кон 13
  • 10. Предисловие центрации собственной творческой энергии для решения важнейших проблем в науке и технике. В этой книге предлагается общий обзор нанотехнологий с опи санием некоторых наиболее важных областей науки, где читатели смогут встретиться с ними. В начале книги объясняются основные термины, понятия, концепции и инструменты, которые чаще всего используются учеными и инженерами для описания нанотехноло гий. Все сведения сопровождаются ссылками на полезные интернет ресурсы, содержащие новейшую информацию о методах и получен ных результатах. В книге приводится большое количество иллюстраций, которые помогут читателям представить себе все, что происходит на «нано технологическом фронте». Кроме того, здесь предлагаются задания и вопросы, которые могут встретиться на экзамене, с несколькими вариантами ответа. В конце каждой главы предлагаются несложные контрольные вопросы. Чтобы ответить на них, можно вернуться к содержанию главы, освежить полученные знания и проверить себя. Ответы с правильными решениями находятся в конце книги. Книга состоит из четырех частей. В конце каждой части пред лагается пройти проверочный тест, но теперь уже без помощи кни ги. Вопросы теста не сложнее вопросов в конце каждой главы. Они предназначены только для того, чтобы подытожить полученные зна ния. Автор постарался сделать их достаточно интересными и необыч ными, чтобы позабавить читателей. Если вы дадите более 75% пра вильных ответов, считайте, что хорошо усвоили материал. Помните, ответы на все вопросы собраны в конце книги. Вам предлагается финальный экзамен, который содержит более легкие вопросы, чем в конце каждой главы и части. Его рекомендует ся пройти после выполнения заданий всех тестов. Хорошим резуль татом экзамена можно считать правильные ответы на 75% вопросов. После выполнения тестов и финального экзамена поручите своим друзьям проверить правильность ответов. В таком случае вы не буде те знать, на какие именно вопросы дали неправильные ответы, смо жете повторить пройденный материал и еще раз попытаться пройти тест. Только после повторного прохождения следует сделать работу над ошибками и попытаться определить пробелы в знаниях. Книгу рекомендуется читать по одной главе в неделю, либо по одному часу в день, чтобы постепенно перерабатывать полученную информацию. Спешить не стоит, лучше заниматься меньше, но ре14 гулярно. Освоение нанотехнологий достаточно просто, но для обду
  • 11. Предисловиемывания прочитанного материала потребуется определенное время.К очередной главе рекомендуется переходить только после освоенияматериала предыдущей главы. Тем, кто интересуется влиянием нанотехнологий на окружающуюсреду и наше общество, несомненно, будет интересно прочитать главы 13 и 14. После окончания чтения не спешите избавиться от этой книги.Она еще может пригодиться вам в качестве справочного пособия понанотехнологиям. Ведь книга снабжена предметно именным указателем и приложениями с указанием наиболее известных аббревиатур,компаний и публикаций в области нанотехнологий. Линда Уильямс
  • 12. Благодарности Иллюстрации для книги были подготовлены с помощью программ PowerPoint и Word от компании Microsoft Corporation. В книге была использована информация, любезно предостав ленная правительственными организациями США: Национальной нанотехнологической инициативой США (National Nanotechnology Initiative — NNI) и Департаментом исследований и развития (Office of Research and Development — ORD) Агентства по охране окружа ющей среды США (Environmental Protection Agency — EPA) и др. Автор выражает благодарность доктору Кристен Кулиновски (Kristen Kulinowski), исполнительному директору Центра нанотех нологий в биологии и окружающей среде из Университета Райс за техническое рецензирование и коллективу Университета Райс за ил люстрации для этой книги. Благодарю доктора Уэйда Адамса, директора Института нано технологий Смолли, за исторические сведения и плодотворные об суждения. Благодарю Джуди Басс (Judy Bass) из издательства McGraw Hill за ее поразительную энергию и поддержку, несмотря на все препят ствия и жизненные обстоятельства. Элизабет, Пол, Брин, Эван и Джек, благодарю вас за любовь и поддержку! Линда Уильямс
  • 13. Часть IОТКРЫТИЕ
  • 14. Глава 1 Открытие фуллерена Иногда (раз в сто или даже тысячу лет) человечество открываетили создает нечто, меняющее все вокруг. Пещерные жители почуялиновый для них запах дыма и решили исследовать (видимо, последолгого производственного совещания) его источник. Открытие огняперевернуло мир: на смену суши пришли барбекю и шашлыки. Позже их потомки открыли инструменты из железа, которыебыли гораздо долговечнее, чем каменные наконечники. Оружие изжелеза стало предпосылкой завоевания окружающего мира. Затем были открыты канализация, электричество, автомобилии антибиотики, которые стали неотъемлемой частью жизни большинства развитых стран. Внезапно человечество осознало, что еслинастойчиво стремиться к какой то мечте, то ее вполне можно осуществить (если не посвящать в эту мечту бюрократию). Наука и техника совершили такие прорывы, которые считались фантастикой ещенесколько десятилетий назад. Наконец наступила эра высоких технологий: цветное телевидение,компьютеры… Девизом современной науки и техники стало высказывание: «Меньше, быстрее, легче и умнее». Чем больше мы знаем, тембольше хотим узнать. Жажда знаний неутолима, а любопытство безгранично. Все — от квазаров до ДНК — вызывает жгучий интерес. В настоящее время поиск знаний достиг невероятного накала. Вомногом это объясняется открытиями в совершенно новой фантастической области знаний, которую стали называть нанотехнологией. Благодаря нанотехнологиям появилась возможность создаватьболее быстрые и легкие компьютеры, улучшенные теннисные мячи,прочную ткань, прозрачные солнцезащитные экраны, молекулярныесенсоры и клеточные методы лечения рака. Сейчас нанотехнологиииспользуются в сотнях рыночных продуктов. Многие из них стали результатом улучшения уже существующих технологий, например антивандальные поверхности, антиприлипающие покрытия, но 19
  • 15. ЧАСТЬ I Открытие в ближайшие 10–20 лет нас поразят совершенно новые продукты, созданные на основе нанотехнологий. В этой книге описываются новые материалы, удивительные при ложения и поразительные технологии; возможность их использования появилась в результате научных исследований на наномасштабном уровне. Кроме того, здесь анализируется влияние нанотехнологий на общество: инвестиции, риски, общественное мнение и междуна родная политика. Устраивайтесь поудобнее и погрузитесь в мир сверхмалых объек тов и удивительных процессов — в мир нанотехнологий.В начале всех начал В 1897 г. Дж. Дж. Томсон (J. J. Tomson) открыл отрицательно заряженные частицы в трубке с откачанным воздухом, куда он поме стил два электрода. Эта трубка получила название электронно лучевая трубка, или ЭЛТ. Она использовалась для изучения возбужденных атомов газообразных веществ, когда с помощью электродов через нее пропускался электрический ток. Таким образом, более ста лет назад были сделаны первые попытки разделения атомов на составные части. ЭЛЕКТРОНЫ Во время экспериментов с изучением свечения газов Дж. Дж. Том сон обнаружил, что электроны имеют отрицательный заряд и входят в состав всех известных химических элементов. Это была ошелом ляющая новость, поскольку до этого различия между элементами были очень расплывчатыми. Электроны — это крошечные отрицательно заряженные субатомные частицы, ко- торые вместе с положительно заряженным ядром находятся в составе атома. В 1906 г. Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию по фи зике «В знак признания заслуг в области теоретических и экспе риментальных исследований проводимости электричества в газах». Позже ученые выяснили, что электрон имеет массу 9,1×10–31 кг и за ряд 1,6×10–19 К. ЯДРО Сравнительно недавно ученые установили, что атом является не одним сплошным объектом, а состоит из множества крошечных ча20 стичек и более крупного ядра.
  • 16. ГЛАВА 1 Открытие фуллерена В 1907 г. Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), ученикДж. Дж. Томсона, развил современную концепцию атома. За эту работу он получил Нобелевскую премию 1908 г. по химии с формулировкой «За проведенные исследования в области распада элементовв химии радиоактивных веществ» и рыцарский титул в 1914 г. (ктосказал, что химия неблагодарное занятие?). Во время экспериментовс радиоактивным ураном в 1911 г. Резерфорд предложил свою модель ядра. Бомбардируя частицами тонкую золотую фольгу, он предсказал, что атомы обладают положительно заряженными ядрами,размеры которых гораздо меньше размеров атома. Вместе со своимучеником Гансом Гейгером (Hans Geiger), который получил всемирную известность за изобретение счетчика Гейгера, Резерфорд обнаружил, что более 99% всех частиц проходят насквозь. И только одна из8000 частиц отражается от ядра под некоторым углом и даже на 180°.Ученые предположили, что такое отражение происходит, когда частица сталкивается с массивным положительно заряженным ядром. В ходе дальнейших исследований удалось установить, что ядросостоит из протонов и нейтронов. Каждый протон имеет массу, в1800 раз превышающую массу электрона, поэтому в ядре сконцентрирована бóльшая часть массы атома. Ядро имеет крошечные размеры и занимает очень малую долю объема атома. На рисунке 1.1показана структура атома с точки зрения Резерфорда. Вскоре ученыевыяснили, что внутри атома электроны не вращаются по орбитам вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, а размазаны в пространстве,как облака. Рис. 1.1. Модель атома Резерфорда 21
  • 17. ЧАСТЬ I Открытие Чтобы представить себе структуру атома, вообразите, что ядро имеет размер мячика для игры в настольный теннис. Тогда диаметр всего атома будет больше 5 км! Точнее говоря, ядро имеет диаметр около 10–12 м. ПРОТОНЫ Протоны представляют собой крошечные субатомные частицы вещества, находящиеся внутри ядра. Как уже указывалось выше, протон обладает положительным зарядом и имеет массу, которая в 1800 раз больше массы электрона. Атомное число (Z) элемен та определяется количеством протонов в ядре. Чистым элементом называется элемент, состоящий из атомов с одинаковым атомным числом. НЕЙТРОНЫ Частицы, из которых состоит ядро атома, называются нуклона ми. Этими частицами являются протоны и нейтроны. Когда ученые обнаружили протоны и посчитали массу ядра на основе их суммы, полученный результат не совпал с вычисленной оценкой общей мас сы ядра. Чего то не хватало, и это «что то» вскоре было найдено. Так открыли нейтроны. Нейтрон — это не имеющая электрического заряда субатомная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Нейтроны находятся внутри ядра вместе с протонами. В табли це 1.1 приведены массы субатомных частиц атома: электронов, про тонов и нейтронов. Таблица 1.1. Массы субатомных частиц Частица Обозначение Масса Электрон e– 9,110 × 10–28 г Протон p+ 1,675 × 10–24 г Нейтрон n 1,675 × 10–24 г МОЛЕКУЛЫ Многие вещества, например дерево, камень или мыло, на ощупь22 кажутся твердыми, но они состоят из множества пустотелых атомов.
  • 18. ГЛАВА 1 Открытие фуллеренаСвязь, которая удерживает два атома вместе, называется химической связью. Молекула — это комбинация двух или более атомов,связанных химической связью. Ковалентной называется химическая связь, при которой электроны размазаны в пространстве так,что используются всеми атомами молекулы в равной мере (в отличиеот ионной связи, при которой электроны используются атомами неравномерно). Молекула — это простейшая структурная единица элемента или вещества, которая состоит из атомов, связанных химическими связями. Одно из хорошо известных нам веществ состоит из двух атомовводорода и одного атома кислорода. Как называется вещество? Правильно, вода. Составные части молекулы воды удерживаются вместе с помощью ковалентных связей. Символьная запись комбинацииатомов в молекуле вещества называется его химической формулой.Формула воды имеет вид H2O, где H2 обозначает два (нижний индекс) атома водорода, а O — один атом кислорода. Отсутствие нижнего индекса означает наличие лишь одного атома. Все молекулы одного вещества одинаковы. Они настолькомалы, что даже крупинка вещества содержит огромное количествомолекул. Например, в капле воды диаметром около 5 мм содержится 2 × 1021 молекул, то есть около 2000 миллиардов молекул.Если сложить такое же число страниц, стопка протянется от Землидо Солнца (150 млн км) около 600 тыс. раз! Если бы можно быловыложить все молекулы (диаметр около 0,3 нм) капли воды в однулинию, то ее длина равнялась бы двум расстояниям от Земли доСолнца! Указание количества атомов в виде нижних индексов в химической формуле имеет большое значение для определения разныхвеществ. Ниже приводится несколько примеров простых химическихформул. хлорид натрия (поваренная соль) NaCl — 1 атом натрия и 1 атом хлора; перекись водорода H2O2 — 2 атома водорода и 2 атома кисло рода; этанол C2H6O — 2 атома углерода, 6 атомов водорода и 1 атом кислорода. Вещество на Земле может существовать в твердой, жидкой илигазообразной форме. Атомы веществ на наноуровне могут образо 23
  • 19. ЧАСТЬ I Открытие вывать огромное, почти бесконечное, количество комбинаций. Од нако ученые обнаружили сравнительно небольшое число элементов и веществ. Причем некоторые внешне разные вещества часто имеют одинаковую химическую формулу. Чтобы отличать формы разных веществ, ученые используют структурные формулы. ХИМИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ Химическая формула вещества указывает, сколько атомов раз ных элементов содержится в каждой молекуле данного вещества. Попробуем сравнить молекулу с автомобилем. Пусть короткий и вы сокий джип имеет столько же двигателей и колес (то есть аналогов атомов), сколько и длинный и приземистый лимузин. Однако их расположение оказывает существенное влияние на ходовые качества и предназначение обоих типов автомобилей. Все молекулы вещества имеют одинаковое количество атомов одного элемента, которые соединены химическими связями, возни кающими в результате взаимодействия электронов и атомного ядра. По простой химической формуле сульфата меди (медный купо рос), CuSO4, можно сказать, что в этом веществе содержится 1 атом меди (Cu), 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (O). В таблице 1.2 приведен перечень некоторых распространенных химических ве ществ вместе с их химическими формулами. Таблица 1.2. Химические формулы веществ Вещество Формула Карбонат аммония (NH4)2CO3 Нитрат аммония (аммиачная селитра) NH4NO3 Бензол C6H6 Гидроксид кальция (гашеная известь) Ca(OH)2 Тетрафторид углерода CF4 Алдехит коричный C9H8O Нитрат меди Cu(NO3)2 ДДТ (дихлордифенилтрихлорметилметан) C14H9Cl5 Оксид фосфора (III) (фосфористый ангидрид) P2O3 Фтористый метил CH3F Фруктоза C6H12O6 Этан C2H624
  • 20. ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Вещество ФормулаОксид галлия Ga2O3Дихромат лития Li2Cr2O7Хлорид магния MgCl2Этандиовая кислота (щавелевая кислота) H2C2O4Перекись водорода H2O2Нитрат калия (селитра) KNO3Хлорид натрия (поваренная соль) NaClСтеарат натрия C18H36O2NaСерная кислота H2SO4Мочевина CO(NH2)2 Химическая формула вещества указывает точное количество атомов всех элемен- тов, которые образуют молекулу вещества. Вода имеет химическую формулу H2O, селитра (используетсядля приготовления фейерверков и удобрений) — KNO3, а фруктоза (сладкое вещество, которое содержится во фруктах и меде) —C6H12O6. Структурная формула указывает, как расположены отдельные атомы в молекуле вещества. Структурная формула показывает положение каждого атомаи каждой связи. Обычно в такой формуле атомы обозначаются символами элементов, а связи — черточками. Одна линия представляетдва электрона, которые используются в одинарной ковалентной связи, а две линии — четыре электрона в двойной ковалентной связи. Вещества, которые состоят из молекул с одинаковой химической формулой, но разным расположением атомов в молекуле, называются изомерами. На рисунке 1.2 показана химическая формула C2H6O и два ееизомера с разными структурными формулами. Структурная формула указывает точное расположение атомовв молекуле. Эту формулу можно представить как план расположения футболистов на поле в определенных игровых позициях. В раз 25
  • 21. ЧАСТЬ I Открытие ные моменты игры, например во время атаки, положение игроков может быть разным. Расположение и функции отдельных игроков определяют стиль командной игры. Точно так же расположение и функции отдельных атомов определяют поведение молекулы и физи ческие характеристики вещества, например их способность вступать в химические реакции с другими веществами. На рисунке 1.3 пока заны структурные формулы некоторых веществ. Рис. 1.2. Структурные формулы изомеров Рис. 1.3. Структурные формулы показывают расположение атомов в молекулах Ученые исследуют структуру молекул, чтобы определить, как они будут себя вести. Структура молекул также сильно влияет на свойства наночастиц.«Внизу полным-полно места» 29 декабря 1959 г. профессор Ричард Фейнман (Richard Feynman), лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. «За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц», выступил в Калифорнийском тех нологическом институте (США) на Рождественском обеде Американ ского физического общества в канун 1960 г. с лекцией под названием There’s Plenty of Room at the Bottom («Внизу полным полно места»). В ней он рассказал о новой области исследований. Фейнман предло жил идею управления отдельными атомами и создания на их основе26 новых веществ на чрезвычайно малом (субатомном) уровне.
  • 22. ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Он поразил аудиторию простой и смелой научной идеей (длятого времени и с помощью доступных тогда научных инструментов).Фейнман обратил внимание на высказывания некоторых ученых отом, что все великие открытия уже сделаны, и заниматься наукойуже неинтересно. Физик считал иначе и предложил свои аргументы.Он заявил, что все содержимое Британской энциклопедии Britannicaможно разместить на булавочной головке. Фейнман предложил представить каждую букву 6–7 битами информации, а информацию хранить не только на поверхности, но и вобъеме. Если для записи каждого бита использовать 100 атомов, товсю информацию из всех книг со всего мира можно будет разместитьв кубе с ребром чуть более 0,1 мм. В субатомном мире действительно достаточно места. Физик заявил, что биологам это давно известно. Биологи уже в течение нескольких десятилетий изучали такие объекты, как молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Они знали, что ДНК находится в ядре клетки организма и содержит код структуры этого организма(будь то комар, человек или касатка). И все остальные организмы! Фейнман сообщил, что биологи уже давно ждут от физиков изобретения нового микроскопа, способного разглядеть в 100 раз меньший объект, чем это возможно сейчас. Как только они получат всвое распоряжение более мощные инструменты, то смогут вплотнуюразглядеть реакции между отдельными белками. Фейнман описалбесконечные возможности молекулярного мира, который теперь называют наномиром. Ученый разбудил воображение коллег, а такжедал старт научной гонке в исследованиях молекулярного мира. Но поднятую Фейнманом тему нельзя назвать абсолютно новой.Еще алхимики стремились изменить химические свойства элементов.Они пытались найти рецепт волшебного «эликсира молодости» и«философский камень» для превращения свинца в золото. Фактически они предпринимали попытки манипулирования не только атомами, но и отдельными их компонентами. В 1981 г. Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Хайнрих Рорер (HeinrichRohrer) из научно исследовательской лаборатории компании IBM вЦюрихе (Швейцария) создали сканирующий туннельный микроскоп(scanning tunneling microscope), который впервые позволил ученымувидеть отдельные атомы и манипулировать ими. Они обнаружили,что, используя электрическое поле и специальный зонд с крошечнымнаноразмерным кончиком, можно перемещать отдельные атомы. Вскорепосле создания сканирующего туннельного микроскопа был изобретен 27
  • 23. ЧАСТЬ I Открытие атомный силовой микроскоп (atomic force microscope), один из наи более популярных инструментов эры нанотехнологий. Затем появились идеи создания новых веществ. Появление такого инструмента стало значительным событием и было отмечено Нобелевской премией по фи зике 1986 г. «За изобретение сканирующего туннельного микроскопа». В 1989 г. Дон Эйглер (Don Eigler) в Альмаденской научно иссле довательской лаборатории компании IBM в Сан Хосе, штат Кали форния (США), сложил слово «IBM» из 35 атомов ксенона и сфо тографировал его. На рисунке 1.4 показано, как это слово можно сложить из отдельных атомов. Более подробно инструменты нано технологий описываются в главе 4. Рис. 1.4. Схема расположения отдельных атомов для создания слова «IBM» УДАЧА И ИНТУИЦИЯ В сентябре 1985 г. тремя химиками, Робертом Ф. Керлом, мл. (Robert F. Curl, Jr.), сэром Гарольдом У. Крото (Harold W. Kroto) и Ричардом Э. Смолли (Richard E. Smalley), была открыта новая разновидность углерода C60. Они собрались в Университете Райс для проведения совместных экспериментов, результаты которых порази ли весь мир. Ученым помогали два студента: Джэймс Хиз (James Heath), теперь профессор химии в Калифорнийском технологиче ском институте, и Шон О’Брайан (Sean O’Brien), теперь научный сотрудник компании Texas Instruments в Далласе (США). Поскольку одну Нобелевскую премию присуждают не более чем трем ученым, то Хиз и О’Брайан обрели лишь всемирную славу, а Нобелевскую28 премию 1996 г. по химии «За открытие фуллеренов» получили Керл,
  • 24. ГЛАВА 1 Открытие фуллеренаКрото и Смолли. Эту премию вручили 10 декабря 1996 г. в 100 летнюю годовщину смерти ее основателя. Новая разновидность углерода получила название фуллерен(fullerene). Структура фуллерена очень похожа на каркас обыкновенного футбольного мяча, сшитого из лоскутов кожи (рис. 1.5).Фуллерен состоит из 60 атомов углерода. Его структура принципиально отличается от структуры других разновидностей углерода:графита и алмаза. Фуллерен был назван так в честь архитектора иизобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard BuckminsterFuller), который спроектировал и построил первый геодезическийкупол — полую пространственную стальную сферическую конструкцию из прямых стержней. Рис. 1.5. Фуллерен похож на обыкновенный футбольный мяч, сшитый из лоскутов кожи Открытие фуллерена произошло в результате экспериментовСмолли и Крото с инструментом, который Смолли изобрел для изучения молекул и кластеров атомов. Крото заинтересовала предложенная Смолли методика лазерного испарения. С ее помощью оннамеревался проверить свою теорию о поведении углерода в межзвездном пространстве. Крото считал, что богатые углеродом звезды,красные гиганты, способны испускать сложные углеродные соединения, которые можно обнаруживать с помощью радиотелескопов. Исследователи попытались представить структуру для обнаруженной ими новой разновидности углерода с помощью масс 29
  • 25. ЧАСТЬ I Открытие спектрометра, который способен измерять длины волн излучения и энергии отдельных элементов. Однажды поздним вечером Смолли с помощью бумаги, ножниц и скотча соединил все 60 вершин и по лучил симметричную замкнутую форму. Полученную молекулу С60 стали также называть бакиболл (buckyball). Графит, наиболее рас пространенная разновидность углерода, состоит из атомов углерода, которые расположены в двухмерных плоскостях. А в молекуле фул лерена связанные сильными связями атомы углерода располагают ся в трехмерном пространстве и образуют замкнутый сферический каркас. До этого момента ученые считали, что углерод существует только в виде графита или алмаза. Они не могли поверить в существование фуллерена и посчитали открытие ошибкой. Действительно, почему никому раньше не удавалось обнаружить это новое соединение? Многие ученые стали интенсивно исследовать фуллерен, и вскоре стало ясно, что данная молекула существует, и ее открытие имеет огромное значение для науки. Как уже упоминалось выше, за это открытие Смолли, Керл и Крото получили Нобелевскую премию по химии 1996 г. За открытие фуллерена и пропаганду исследований на наномасштабном уровне Смолли (наряду с Фейнманом, Биннигом и Рорером) часто называют одним из отцов нанотехнологий. ГРАФИТ До открытия фуллерена наиболее исследованным соединением углерода был графит. Графит состоит из плоских слоев углерода, по хожих на колоду игральных карт. Связи атомов в каждой плоскости (карте колоды) чрезвычайно прочны, но отдельные плоскости связа ны друг с другом не очень сильно и могут изгибаться и ломаться. Большинство людей пользовались простыми карандашами с мяг кими графитовыми стержнями. Такие карандаши могут писать, по тому что при трении о бумагу слои графита отслаиваются и остаются на бумаге. Отдельные атомы в одном слое графита связаны ковалентными связями. Эти связи удерживают молекулы графита вместе и способ ствуют поддержанию плоской формы слоев. В графите каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами сильными ковалентными связями. Силы Ван дер Ваальса связывают соседние плоскости и удерживают их рядом. На рисунке 1.6 показаны основные типы рас положения атомов углерода: плоское (в угле и графите), решеточное30 (в алмазе) и сферическое (в фуллерене).
  • 26. ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Рис. 1.6. В угле и графите атомы углерода расположены в плоскостях, в алмазе — в объемной кристаллической решетке, а в фуллерене — в сферическом каркасе Графит часто используется в качестве смазки в некоторых механизмах с трущимися частями: замках, вентиляторах и т. д. Сильные связи между отдельными атомами графита объясняют высокуютемпературу его плавления. Графит не растворяется в воде и органических растворителях, но способен проводить электрический ток,поэтому не носите карандаши в карманах светлой одежды. Иначевам придется сделать шокирующее открытие! АЛМАЗ До открытия фуллерена самым прочным соединением атомовуглерода считался алмаз. Алмазы называют «лучшими друзьямидевушек» и… инженеров. Благодаря сильным ковалентным связямкаждого атома углерода с тремя соседними атомами они образуютпрочную объемную кристаллическую решетку. Алмаз настолько прочен и тверд, что используется для резки, сверления и полировки других материалов в промышленности. Действительно, алмаз — самоетвердое тело, которое известно ученым. Алмаз имеет очень высокую температуру плавления (около 4000 °C),ведь для разрушения кристаллической структуры нужно разорвать всесверхсильные ковалентные связи между атомами. Алмаз, как и графит, не растворяется в воде и других органических растворителях. 31
  • 27. ЧАСТЬ I Открытие Однако алмаз не проводит электрический ток. Дело в том, что все электроны в нем прочно удерживаются между атомами и не могут пере мещаться по решетке (представьте себе плотную толпу людей во время многолюдного празднования встречи Нового года на центральной пло щади города, например в Нью Йорке, — сильно не подвигаешься). Люди издавна ценили алмазы за их необыкновенное сияние и блеск. Однако ученых они привлекали своей чрезвычайной твер достью и малой сжимаемостью. Алмазы прекрасно проводят тепло и очень слабо расширяются с увеличением температуры. Они не всту пают в реакцию с большинством сильных кислот или оснований. Ал мазы прозрачны в очень широком диапазоне: не только для видимо го света, но и для ультрафиолетового и инфракрасного излучения. ГРАФИТ, АЛМАЗ И ФУЛЛЕРЕНЫ Многие минералы состоят из атомов и молекул всего одного хими ческого элемента. Геологи различают металлические и неметалличе ские минералы. Около 80% химических элементов являются металла ми. Например, золото, серебро и медь — металлы. Углерод лежит в основе таких минералов, как графит, алмаз и фуллерен (неметаллы). Именно упорядочением атомов углерода в алмазе объясняются его удивительные свойства. Действительно, графит, алмаз и фулле рен состоят из одинаковых атомов углерода. Однако алмаз является самым твердым веществом, а графит — одним из самых мягких. Такое различие объясняется разными способами связи атомов. В ал мазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, а в графите — только с тремя. В графите атомы углерода образуют кон фигурацию, как у молекулы бензола. Они располагаются в плоско стях, которые могут легко проскальзывать друг относительно друга. Фуллерен похож на алмаз и графит. Он обладает некоторыми характеристиками обоих этих веществ, но лишен их недостатков. С 1990 х гг. ведутся исследования структуры и свойств фуллеренов. Теперь ученым известны не только сферические фуллерены (с 60 ато мами), но и овальные (с 70 атомами), типа сосиски (с 80 атомами) и др. Каждое новое открытие давало ответы на прежние вопросы, порождая множество новых вопросов. Ученые определили энергию электронов и измерили электрические токи. Оказалось, что у раз ных видов фуллеренов они имеют разные значения на молекулярном уровне. Более того, фуллерены вели себя совершенно иначе, чем алмаз и графит. Для исследования фуллеренов пришлось применить32 более изощренные научные методы.
  • 28. ГЛАВА 1 Открытие фуллерена Однослойные углеродные нанотрубки В 1991 г. Сумио Ииджима (Sumio Iijima) из Лаборатории фундаментальных исследований компании NEC (NEC Fundamental Research Laboratory) в Цукубе, Япония, обнаружил в саже на углеродном стержне катода дугового разряда углеродные нанотрубки(carbon nanotubes). На фотографиях, полученных с помощью электронного микроскопа высокого разрешения, были найдены многослойные углеродные нанотрубки, или МСУН (multi walled carbonnanotubes — MWNT). Оказалось, что они имеют закругленные концы и очень похожи на фуллерены. Но, в отличие от фуллеренов,многослойные углеродные нанотрубки не обладали совершеннойструктурой на молекулярном уровне. В 1993 г. Сумио Ииджима и Тошинари Ичихаши (Toshinari Ichihashi) в Японии, а также Дональд С. Бетун (Donald S. Bethune) ссотрудниками Альмаденского научно исследовательского центра вСан Хосе, штат Калифорния (США) почти одновременно открыли однослойные углеродные нанотрубки, или ОСУН (single walled carbonnanotubes — SWNT). Обе группы ученых описали поведение железа,никеля и кобальта на аноде дугового разряда и образование фуллеренаC60 в саже на стенках камеры. С помощью просвечивающего электронного микроскопа, ПЭМ (transmission electron microscope — TEM), ученые обнаружили, что сажа состоит из множества однослойных углеродных нанотрубок приблизительно с одинаковым диаметром. Кромених, в саже нашли также многослойные углеродные нанотрубки. Тысячи ученых и инженеров до сих пор пытаются разгадать загадку образования фуллеренов, стремятся найти способы их генерации вбольшем количестве и более чистом виде, а также исследуют их свойства. На рисунке 1.7 показана схема строения углеродной нанотрубки. Нанотрубки, в зависимости от длины, содержат от тысячи домиллионов атомов углерода. Благодаря своей структуре они могутбыть такими же хорошими проводниками электрического тока, какмедь, либо полупроводниками, как кремний. Они могут проводитьтепло так же хорошо, как алмаз. А поскольку алмаз состоит из атомов углерода, то химики могут создавать связи между ними и атомами других веществ. Благодаря этой способности есть возможностьиспользовать фуллерены и нанотрубки в качестве нового наномасштабного материала в биологических системах и композитах. Теоретики подсчитали, что из нанотрубок можно создать самые прочныеволокна в мире, которые почти в 100 раз прочнее и в 6 раз легче 33
  • 29. ЧАСТЬ I Открытие стали. Углеродные нанотрубки и фуллерены являются наиболее уди вительным открытием в области материаловедения за последние не сколько десятилетий. Рис. 1.7. Углеродная нанотрубка БУДУЩИЕ НАНОТЕХНОЛОГИ Обучение студентов, аспирантов и докторантов имеет очень боль шое значение для развития многих областей науки, включая био логию, химию, физику, материаловедение, информатику, электро технику и т. д. Новые специалисты будут востребованы во многих отраслях промышленности, связанных с применением нанотехноло гий при работе с керамикой, полимерами, полупроводниками, ме таллами, сплавами, катализаторами и сенсорами (подробнее об этом рассказывается в главе 8). Для освоения нанотехнологий, которые находятся на стыке не скольких научных дисциплин, студентам и аспирантам требуется со лидная подготовка в нескольких областях науки. Возможно будущие открытия (например, в медицине и нанокомпозитах) приведут к по явлению новых предметов в учебных расписаниях, которые потеснят34 привычные дисциплины.

Related Documents