CC BY
20НАНОСТРУКТУРЫ
NANOSTRUCTURES
Статья поступила в редакцию 29.07.11. Ред. рег. № 1095 The article has entered in publishing office 29.07.11. Ed. reg. No. 1095
УДК 544.77.022
НАПРАВЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В МЕХАНИКЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ, ЗАСЛУЖИВАЮЩИЕ, С ПОЗИЦИИ ХИМИКА, ПЕРВОСТЕПЕННОГО РАЗВИТИЯ
Ю.Д. Третьяков
МГУ им. М.В.Ломоносова, химический факультет, кафедра неорганической химии 119992, Москва, Ленинские горы Тел. (495) 939-2074, факс (495) 939-0998, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 15.08.11 Заключение совета экспертов: 25.08.11 Принято к публикации: 30.08.11
В статье рассмотрены общие направления фундаментальных исследований в области нанохимии и наиболее яркие частные примеры наноматериалов и явлений, связанных с развитием нанотехнологий, которые имеют прямое отношение к формированию новой перспективной области исследований - наномеханике.
Ключевые слова: нанохимия, наноматериалы, наномеханика.
FUNDAMENTAL R&D TRENDS IN MECHANICS OF NANOMATERIALS MOST EXPECTED FROM A VIEW POINT OF CHEMISTS
Yu.D. Tretyakov
Moscow State University, Chemistry Department, Inorganic Chemistry division Lenin Hills, 119992, Russia Tel.: (495) 939-2074, fax: (495) 939-0998, e-mail: [email protected]
Referred: 15.08.11 Expertise: 25.08.11 Accepted: 30.08.11
In the present paper, general fundamental research directions in the area of nanochemistry and some examples of modern nanomaterials are discussed as related to advancing of nanomechanics.
Keywords: nanochemistry, nanomaterials, nanomechanics.
В основу настоящей статьи положено содержание докладов, представленных автором на выездной сессии Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН, посвященной памяти В.Г. Шухова, и на 37-й летней школе-конференции «Перспективные проблемы механики», состоявшихся, соответственно, 10 июня 2009 г. в Москве и 2-5 июля 2009 г. в Санкт-Петербурге (Репино) [1]. Предложение организаторов принять участие в форуме профессионалов-механиков было довольно неожиданным и необычным для автора, познания которого в области механики в существенной мере ограничивались курсом теоретической механики, прослушанным в студенческие годы в Ростов-ском-на-Дону Государственном университете, хотя справедливости ради следует отметить, что в качест-
ве лектора выступал выдающийся впоследствии ученый-механик, академик И.И. Ворович.
Выбор темы доклада тоже был совсем нелегким, учитывая, что вся сознательная исследовательская деятельность автора связана с химией материалов, а направление деятельности научного коллектива, к которому он принадлежит последние 20 лет, формулируется следующим образом: «Развитие неорганической химии как фундаментальной основы создания функциональных материалов» [2]. Уважительное отношение автора к механике нашло отражение в разработке междисциплинарного образовательного стандарта «Химия, физика и механика материалов», реализуемого на факультете наук о материалах, функционирующем в МГУ им. М.В. Ломоносова с 1991 г.
Значительный интерес, проявляемый научным сообществом к созданию и исследованию нанотех-нологий и наноматериалов, не обошел стороною автора и его молодых коллег. Созданная ими книга «Нанотехнологии (Азбука для всех)» [3], изданная теперь уже вторично, получила известный резонанс и отразила в определенной мере творческий характер научных подходов, связанных с развитием науки о наноматериалах в МГУ им. М.В. Ломоносова. В том же направлении были сконцентрированы усилия по изданию бюллютеня «Нанометр», по функционированию сайта «Nanometer.ru» и по организации Интернет-олимпиады по нанотехнологиям, проведенной в этом году уже в третий раз благодаря инициативе и самоотверженной работе сравнительно небольшого коллектива, «мотором» которого несомненно был и остается профессор МГУ, член-корреспондент РАН Е.А. Гудилин.
Но вернемся к содержанию доклада, положенного в основу настоящей статьи. Прежде всего определимся с ключевыми терминами. Понятие наномате-риалов неоднозначно в представлении тех, кто считает себя причастным к развитию нанотехнологий. Одни исследователи отождествляют их с ультрадисперсными порошками, другие - с коллоидами, третьи - со структурами, формируемыми в металлах и сплавах в результате интенсивной пластической деформации или процессов спинодального распада твердых растворов.
Есть немало представителей науки и бизнеса, считающих нанотехнологии всего лишь брендом, позволяющим приобщиться к огромному финансированию, выделенному государством при создании Госкорпорации «Роснано» и призванному обеспечить в кратчайший срок создание и функционирование отечественной наноиндустрии. Автор неоднократно высказывал свое отношение к возможности реализовать эти планы [4] и призывал рассматривать нанотехнологии как научный прорыв, ставший возможным в последнее десятилетие благодаря созданию высокоэффективных методов формирования и исследования наносистем, включая высокоразрешающую электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию, процессы «мягкой» литографии, самосборки и самоорганизации.
Что касается наноматериалов, то к ним можно отнести любые материалы, функциональные свойства которых определяются наноуровнем их структуры (фрагментами структуры в интервале от 1 до 100 нм). Очевидно, что наноуровень существует в любом веществе или материале, во всяком случае, твердо- и жидкофазном, и это утверждение справедливо в той же мере, в какой справедливо утверждать, что любые вещества состоят из атомов, ионов или молекул. Вместе с тем далеко не всегда наноуровень структуры является определяющим в формировании функциональных параметров материала, хотя, несомненно, существование взаимосвязи различных уровней структуры, иллюстрируемой рис. 1 на примере
сверхпроводящей керамики, у которой критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние определяется особенностями состава и кристаллической структуры, а критическая плотность тока - на-нофлуктуациями состава и структуры, проявляемыми, например, в купратах редкоземельных элементов типа №1+хВа2-;,:Сиз07+г.
Рис. 1. Иерархия структурных уровней на примере сверхпроводящей керамики Fig. 1. Structural hierarchy of solids, high temperature superconducting ceramics as an example
Простейшим видом наноматериалов являются наночастицы (нанопорошки), все способы получения которых, по предложению Р.Фейнмана [5], можно разделить на 2 группы - «снизу-вверх» и «сверху-вниз», причем в последнем случае наиболее распространенными являются механические процессы измельчения, осуществляемые в разнообразных помольных устройствах, среди которых видное место занимают дезинтеграторы, созданные Хинтом почти 40 лет назад (рис. 2). Наночастицы могут выступать как целевые продукты и как прекурсоры нанокера-мики и нанокомпозитов. В последнем случае важную роль играют механические процессы формирования порошков и горячего прессования, причем, как показывает опыт, увеличение давления прессования может приводить к образованию диссипативных структур (эффект перепрессовки) [6].
Порошкообразные вещества поступают в пространство
между вращающимися дисками. Частицы соударяются с твердосплавными выступами на лопастях дисков, последовательно проходя все круги, перед выходом с последнего из них, имеющего максимальную линейную скорость, частицы испытывают наиболее высокоэнергетическое воздействие. Такой способ измельчения приводит к увеличению дисперсности системы и к дополнительной механохимической активации
Рис. 2. Дезинтегратор Хинта Fig. 2. The Hint's disintegrator
Рис. 3. Классификация наноматериалов Fig. 3. Classification of nanomaterials
Все многообразие наноматериалов целесообразно классифицировать в соответствии со схемой, представленной рис. 3, на следующие группы [7].
Объемные (3Б) наноструктурированные материалы, формируемые в результате термических, механических воздействий (металлы и сплавы с ультра-микрозернистой структурой, спинодальный распад в стеклообразных материалах или твердых растворах) или спекания предварительно компактируемых массивов наночастиц (нанокерамика).
- Наноструктурированные планарные (2Б) материалы, включая тонкие и толстые пленки и покрытия, продукты нанопечатной литографии и самособирающиеся монослои.
- Наноструктурированные (Ш) материалы, в том числе нанотрубки, нановолокна, наноагрегаты и на-нопроволоки, формируемые из пересыщенных пара, раствора или в результате электрохимических процессов.
- Нанодисперсные (0Б) материалы (нанопорош-ки, нанокристаллы, квантовые точки), получаемые в результате механического измельчения объемных объектов, путем кристаллизации пересыщенных систем (из пара, жидких фаз - водных и неводных растворов или расплавов), а также нанокластеры, создаваемые самосборкой или стабилизируемые благодаря разнообразным темплатам.
- Нанокомпозиты, состоящие из мезопористой матрицы с Ш-каналами или 2Б-слоями, заполненными нанофазой, или нановискеров, нанотрубок и наночастиц в полимерной, металлической или керамической матрице.
- Супрамолекулярные материалы, формируемые из более простых молекул с целью создания молекулярных устройств или машин, имитирующих биологические процессы в живых организмах, нанопори-стые структуры.
Автору представляется, что наномеханика (механика нанообъектов) принципиально отличается от классической механики (механики макрообъектов), причем важнейшие отличия сводятся к следующим утверждениям:
- вещество в нанокристаллическом состоянии является метастабильным, что может приводить к изменению его механических параметров даже в процессе измерений (например, в опытах по диффузионной ползучести возможна перекристаллизация материала и рост зерен при высоких температурах);
- значительное уменьшение или даже полное отсутствие 0-мерных (точечные дефекты) и 1-мерных (дислокации) дефектов в объеме наночастиц;
- исключительно важна роль размерных эффектов в объемных наноматериалах, в которых нанозер-на находятся в т. н. консолидированном состоянии и могут приводить при определенных условиях к квантовым размерным эффектам [8];
- проявление на наноуровне принципиально иных механизмов деформации, обусловленных изменением типа химической связи в наносистемах;
- возможность получения наноструктур (например, углеродных нанотрубок) с прочностью, близкой к теоретической, что обусловлено доминированием наиболее прочных ковалентных связей;
- исключительная роль границ раздела, межзе-ренных границ и изменения в самих зернах, связанные с появлением дефектов упаковки при деформировании материала;
- невозможность определить само понятие границы раздела в композитных материалах из-за соизмеримости этой границы с размерами наночастиц;
- недееспособность классических теорий хрупкости и пластичности в применении к наноматериалам;
- специфические атомные механизмы трения на наноуровне, выявляемые методами атомно-силовой микроскопии (нанотрибология);
- неприменимость статистических подходов к наночастицам, состоящим из относительно небольшого числа атомов (нанокластеры).
Но особенно важным, по мнению автора, является более тесная взаимосвязь механики, физики и химии нанообъектов в сравнении с макрообъектами, где указанные дисциплины традиционно развивались в полном отрыве друг от друга. Такой подход оказался неэффективным в период развития нанотехно-логий, являющимся по сути своей междисциплинарным. Эта междисциплинарность находит отражение и в системе обучения основам нанонауки и нанотех-нологии.
Выбор важнейших направлений чисто фундаментальных и ориентированных на решение практических проблем фундаментальных исследований нано-материалов представляется как крайне непростая и вместе с тем исключительно важная задача.
Эти направления могут быть условно разделены на шесть групп (рис. 4), рассматриваемых далее в тесной взаимосвязи с развитием и применением знаний в области механики наноматериалов.
• Ддддцщшщццщцааиь.
физические il механические особенности и алое остин и и
• 11.4- Ii' in 1,1 нм.' в itiuMQ.ieik'i ний 1> aim¡|\щ.чч\ палочкеIни
• Новые подходы вчехнологин
¡ашщзщциийв
• ( ч I.I IШ I НОВЫХ ТИП» tt.Ht" L.11 vpMU.]"I)
^ 1 ■ ■ il- I и I : I in :п I и г нандма IU ' him и ПРОЦЕССОВ ИХ фО|»1ЩК>иаиин
■ Разрабогка иддддщщщ нанос нечем и наммкетдждлов
Рис. 4. Направления фундаментальных исследований Fig. 4. Fundamental research directions
1. Фундаментальные химические, физические и механические особенности наносостояния:
- механизм дефектообразования в объемных, двух- и одномерных наноматериалах, включая точечные и планарные дефекты, дисклинации и границы раздела зерен [9];
- формирование наночастиц с бездефектной структурой и проявление рекордных механических параметров, превышающих «общедоступные»;
- кросскорреляция магнитных, электрических, оптических и механических свойств наноматериалов на основе металлоксидов, халькогенидов, пниктоге-нидов и галогенидов и др. [10];
- влияние природы темплата на формирование разнообразных наноструктур (эпитаксиальные пленки и покрытия, правило Данкова-Конобеевского) [11-13];
- механизмы деформации разрушения металлических, керамических и полимерных 3-D наноматериа-лов, обусловленные особенностями наноуровня их структуры [14, 15];
- природа и пути повышения износостойкости и ударной вязкости в наноструктурированных твердых сплавах [16];
- морфология нановключений в композитах как путь к контролируемому изменению их свойств [17];
- физико-химическая природа процессов, позволяющих в отличие от обычных композитов достичь в нанокомпозитах одновременно высоких значений прочности и пластичности [18, 19];
- роль наноструктурирования металлов и сплавов в предотвращении коррозии (коррозионная защита), механизмы антикоррозийного действия покрытий [20-22].
2. Исследование взаимодействий в ансамблях наночастиц:
- эволюция наносистем под воздействием градиентов температуры, давления и других внешних полей [23, 24];
- иерархия и взаимосвязь нано-, мезо-, микро- и макроуровней структуры в объемных материалах [25, 26];
- закономерности формирования и поведения «наножидкостей» [27];
- принципы функционализации текстильных тканей с защитными свойствами по отношению к термическим, химическим, механическим, световым и биологическим воздействиям [28] ;
- механизм взаимодействий процессов на поверхности твердых тел, покрытых наночастицами [29];
- физико-химия взаимодействия магнитных и полупроводниковых наночастиц, в том числе квантовых точек с компонентами биоактивных жидкостей и клеточных мембран [30];
- явления нанофрагментации кристаллов при интенсивной пластической деформации металлов [31];
- механизмы организации веществ в процессах компактирования и спекания в последних c целью формирования нанокерамики [20, 21, 32];
- миграция нанодисперсных веществ в природных и техногенных средах [22] ;
- механизмы процессов агрегирования и агломерации наночастиц при формировании нанодисперс-ных продуктов [33, 34];
- самоорганизация нанофаз в металлических объемных материалах как защитная реакция на термохимическое воздействие среды;
- явление тиксотропного восстановления структуры в нанодисперсных коллоидных системах [35].
3. Новые подходы в технологии наноматериалов:
- синергизм физико-химических и механических воздействий как путь к созданию новых поколений наноматериалов [2];
- процессы формирования объемных нанострук-турированных материалов в результате интенсивной пластической деформации металлов и сплавов, спи-нодального распада твердых растворов и кристаллизации аморфных фаз [34, 36];
- создание «умных» наноматериалов, способных реагировать на магнитные, оптические, термические, химические и механические воздействия [10, 37, 38];
- методы сканирующей зондовой микроскопии для сборки сложных наноструктур на основе графе-на, фуллерена, металлических кластеров и полупроводниковых нанокристаллов [39, 40];
- перспективы развития «мягкой» нанотехноло-гии, основанной на использовании умных полимеров как наноразмерных актюаторов, использующих энергию химических превращений для механических деформаций [41-44];
- процессы поверхностной адсорбции как эффективного средства воздействия на механические свойства наноструктурированных материалов.
4. Создание новых типов наноматериалов:
- создание тонкопленочных пьезоэлектрических покрытий для преобразования механической энергии в электрическую [10, 39];
- изучение механизмов формирования наноком-позитов, устойчивых в экстремальных условиях эксплуатации (авиация, космос, атомные реакторы) [36, 45];
- создание термо- и коррозионностойких нанопо-крытий [46, 47];
- создание наноматериалов с фрактальной структурой [48, 49];
- создание биоинспирируемых супергидрофобных нанопокрытий как средства улучшения функциональных свойств текстильных, полимерных, строительных материалов и стекла [34, 50, 51];
- разработка принципов инженерии заменителей костных тканей и кожных покровов, основанной на создании новых типов гибридных наноматериалов [52-54];
- разработка фундаментальных основ создания нанокомпозитов на основе термопластичных полимеров [55];
- разработка конструкционных и жаропрочных сплавов, упрочненных нанообъектами [56];
- создание разноразмерных нанокомпозитов со свойствами мультиферроиков, включая магнитоэлектрические материалы [57, 58].
5. Моделирование наноматериалов и процессов их формирования:
- дизайн и математическое моделирование нано-структурированных конструкционных материалов с рекордными механическими параметрами, в том числе с использованием суперкомпьютеров [59];
- моделирование процессов самовосстановления металлических, керамических и полимерных материалов, осуществляемого путем наноструктурирова-ния последних [60];
- моделирование ab initio принципов процессов деформации и разрушения конструкционных нано-структурированных материалов [61, 62];
- компьютерное моделирование процессов спи-нодального распада в металлических, керамических и полимерных системах [63];
- моделирование процессов формирования дислокационных структур в объемных и планарных материалах [64].
6. Разработка методов анализа наносистем и наноматериалов:
- разработка методик визуализации наносистем и оперирования нанообъектами, создание микро- и наноэлектромеханических устройств [65];
- изучение биодеструкции наноматериалов в различных средах и при различных механических воздействиях [66].
Рис. 5. Строение лап геккона Fig. 5. Nanostructuring in the Nature
Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих эффективность развития подходов наномехани-ки в применении к решению разнообразных задач. Одна из них связана с объяснением феномена геккона (ящерицы), сочетающей способность надежно удерживаться на любых поверхностях с высокой скоростью перемещения. Ключ к разгадке кроется в особенностях строения лап геккона, исследованных в работе [67] на различных уровнях от макро- до нано-(рис. 5). Измерения, проведенные для отдельной щетинки на лапах ящерицы, показали, что для преодоления ее адгезии к поверхности необходимо приложить усилие в 200 мкН. Общее количество щетинок на каждой лапе составляет 6,5-106, что эквивалентно усилию по ее отрыву 1300 Н. Для удержания на поверхности ящерице достаточно использовать 2 тыс. щетинок на каждой лапе, т.е. менее 0,04% от их общего количества. Изменение угла соприкосновения щетинок с поверхностью приводит к резкому уменьшению сил взаимодействия и обеспечивает возможность к перемещению. Любопытно, что меха-
нический захват, вакуумная присоска, наличие клейкого состава и капиллярные силы были признаны неспособными обеспечить наблюдаемый эффект, и единственное объяснение связывают с короткодействующими взаимодействиями, обусловленными силами Ван-дер-Ваальса.
По сведениям, доступным автору, эффект геккона пока не был использован для создания искусственных наноматериалов и наносистем, чего нельзя сказать об эффекте лотоса, способного к самоочищению. Указанный эффект обусловлен сочетанием двух особенностей поверхности листьев лотоса: ее воскообразностью и покрывающими ее микробугорками. Последние делают поверхность листа супергидрофобной, увеличивая краевой угол (т.е. угол между твердой поверхностью и касательной к поверхности капли в месте ее контакта с твердой поверхностью) до 150°. В таком случае вода образует почти сферические капли с очень малой площадью контакта, которые легко стекают по поверхности. Не менее интересным кажется и противоположный эффект сверхгидрофильности в нанопленках TiO2, которые после УФ-облучения приобретали доменную структуру в результате удаления с поверхности части атомов кислорода и замещения их адсорбированными гидроксильными группами. Как следствие, такие пленки приобретали способность смачиваться как маслом, так и водой. И хотя это явление противоположно эффекту лотоса, оно оказывается также полезным для самоочищения поверхности. В последние годы возникла идея совмещения противоположных эффектов в пределах одного и того же материала, и, более того, она была реализована на примере многослойных тонких пленок полиэлектролитов и кварца, несущих противоположный электрический заряд. Полной переключаемости системы удалось добиться, прибавив к покрытой силиконом сверхгидрофобной поверхности с многослойной кварцево-полимедной структурой соединение на основе азобензола. Новая поверхность оказалась сверхгидрофобной, но при УФ облучении из-за изменения конфигурации молекул азобензола становилась сверхгидрофобной. Видимый свет обращает это изменение. Такой способ управления может найти широкое применение в микро- и нанодиагностике.
Для развития последней исключительно привлекательны углеродные нанотрубки, сочетающие малый диаметр (~1 нм) с молекулярно гладкой внутренней поверхностью графитовой сетки. Наблюдаемая экспериментально скорость потока жидкостей и газов в углеродных нанотрубках на 4-5 порядков превосходит ту, которую можно было бы ожидать, исходя из уравнений классической гидродинамики [68]. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что скорость потока контролируется в первую очередь не обменными свойствами (вязкость, поверхностное натяжение), а взаимодействием жидкости со стенками капилляров, т.е. молекулярным трением. Любопытно, что движение жидкости в С-нанотрубках во
многом напоминает ситуацию в биологических мембранах, и это сходство, в частности, состоит в том, что молекулы воды образуют в наноканалах одномерную цепочку с водородными связями. Рассмотренные выше особенности С-нанотрубок открывают возможности для развития малоэнергоемких процессов обессоливания воды и разделения газов.
Не менее интересной может оказаться перспектива создания гибкой графеновой бумаги, которая, судя по предварительным данным [69], обладает высокими механическими характеристиками (модуль Юнга 41,8 ГПа, прочность на разрыв 293,3 МПа) в сочетании со способностью обратимо интеркалиро-вать литий, что делает ее перспективным катодным материалом литиевых батарей.
Что касается реальности создания космического лифта, основанного на использовании транспортера из углеродных нанотрубок, то, согласно расчетам, представленным в работе [70], их прочность недостаточна для достижения цели. Вместе с тем прочность наноструктурированных объемных материалов на основе металлов, сплавов, интерметаллидов и тугоплавких соединений, оценивая экспериментально или на основании модельных расчетов, оставляет надежду для оптимизма при решении разнообразных практических задач, не связанных с космическим лифтостроением.
Следует отметить, что дальнейшему развитию нанотехнологий препятствуют
- слабая приборная база, находящаяся в распоряжении отечественных исследователей и нуждающаяся в непрерывном обновлении, отвечающем прогрессу нанонауки;
- отсутствие необходимого взаимодействия лиц, вовлеченных в фундаментальные и технологические исследования, а также в развитие наноиндустрии;
- разобщенность специалистов в области нано-химии, нанофизики и наномеханики;
- недостаточное число специалистов, получивших необходимое междисциплинарное образование, ориентированное на деятельность, связанную с на-номатериалами.
Необходимость развития нанотехнологического образования, признаваемая практически всеми, связано еще и с тем, что нанонаука и нанотехнологии -это поле деятельности молодых. Достаточно сказать, что период полуобновления коллектива наиболее продвинутого Национального института материаловедения Японии (№МЕ) составляет 15 лет.
В этом отношении весьма специфичной является образовательная программа подготовки бакалавров и магистров на факультете наук о материалах МГУ, в которой исследовательская работа является обязательной для студентов, начиная с первого года обучения.
Учитывая, что, в отличие от большинства других факультетов МГУ, факультет наук о материалах не имеет в своем штате научных сотрудников, большая часть исследований выполняется студентами, аспи-
рантами и выпускниками ФНМ, выступающими в роли преподавателей. На рис. 6-12 представлены некоторые (далеко не все) направления деятельности в области наноматериалов, которые существенно выиграли бы благодаря совместным усилиям химиков, физиков и механиков.
Представленные на рис. 6 синтезированные А.Е. Чекановой [71] наночастицы на основе y-Fe2Ü3, используемые для лечения онкологических заболеваний, могут оказаться эффективными, если удастся оптимизировать гидродинамические условия направленного под действием магнитного поля перемещения частиц с целью сконцентрировать их в районе костной ткани, пораженной раковыми клетками.
Рис. 7. Структура кости человека Fig. 7. Human bone structure
Крайне важно было бы изучать гидродинамику заполнения углеродных одностенных нанотрубок расплавами солей с целью получения при кристаллизации непрерывных нанонитей (рис. 8) и охарактеризовать механические параметры заполненных нанотрубок, изученных методом высокоразрешающей электронной микроскопии [73].
М.В. Чернышева
Рис. 6. Магнитные наночастицы Fig. 6. Magnetic nanoparticles
На рис. 7 показана исследованная А.Г. Вересовым [72] сложная структура кости человека, эволюционирующей с возрастом по мере развития остеопороза и делающей весьма вероятными переломы, особенно опасными в районе шейки бедра. Введение биоактивных форм гидроксоапатита позволяет обратить процесс, но при всех обстоятельствах важно обеспечить возможность диагностирования механических характеристик наноструктурированной костной ткани по мере ее регенерации.
Рис. S. Углеродные нанотрубки Fig. S. Carbon nanotubes
Не менее интересными оказались нанотрубки и наностержни на основе пентоксида ванадия и диоксида титана (рис. 9), из которых первые в композиции с наночастицами платины проявили высокую каталитическую активность в процессах окисления СО, а вторые показали перспективность при создании гибких катодов литий-ионных аккумуляторов [74]. Механические свойства металлоксидных нано-тубуленов пока лишь ожидают внимания исследователей.
!
Рис. 10. Манганитные вискеры Fig. 10. Manganese oxide whiskers
Керамические мембраны и сформированные на их основе магнитные и каталитически активные на-нокомпозиты (рис. 11), созданные усилиями К. С. Напольского [76], позволяют надеяться на значительное улучшение механических характеристик указанных материалов.
Рис. 9. Неуглеродные нанотрубки Fig. 9. Oxide nanotubes
Манганитные вискеры, синтезированные Е.А. Померанцевой [75] в расплавах хлоридных флюсов (рис. 10), в результате кислотной обработки способны существенно изменять свою микроморфологию, превращаясь в нановолокна толщиной 20-40 нм. Перспективность использования манганитных вис-керов после их протонирования или электрохимического интеркалирования ионами Li+ зависит также от возможности обеспечить необходимую механическую прочность и гибкость нанонитей.
Е.А. Померанцева
Рис. 11. Керамические мембраны и нанокомпозиты на их основе Fig. 11. Ceramic membranes and nanocomposites
Синтез новых фотонно-кристаллических материалов, описанный в диссертации А. С. Синицкого [77], с прямой и обращенной структурой опала открывает путь к управляемой кросскорреляции магнитных, оптических и электрических свойств, позволяющей в свою очередь создавать многофункциональные системы и устройства нового поколения для электроники, информатики и военной техники (рис. 12). Но и в этом случае свойства наноразмерных (например пленочных) фотонно-кристаллических материалов могут существенно зависеть от механических воздействий, которые следует регулировать в допустимых пределах.
А.С. Синицкий
В заключение автор считает необходимым снова обратить внимание на приоритетные, с его точки зрения, направления деятельности в области нано-технологий и наноматериалов:
- фундаментальные исследования, важность которых признается повсюду на самом высоком уровне:
- «...без науки, особенно фундаментальной, нет инноваций и инновационного развития. Нельзя экономить на науке и образовании, хотя их, несомненно, надо совершенствовать» (президент РФ Д. Медведев).
- «В фундаментальную науку... должно инвестировать государство: хотя риски здесь могут быть велики, но столь же велики могут быть и выгоды для всей экономики и нашего общества» (президент США Б.Обама).
Нельзя обойти вниманием тот факт, что из 100 тыс. патентов, полученных международным наносо-обществом, свыше половины принадлежат США, и, более того, значительная часть этих патентов имеет правовую защиту на территории РФ. Следовательно, наибольшего прогресса в нашей стране следует ожидать от непредсказуемого научного поиска, связанного с фундаментальными исследованиями, тем более что российская наука стоит заметно дешевле зарубежной;
- междисциплинарные исследования, связывающие воедино естественно-научные, гуманитарные и социологические подходы к развитию нанотехноло-гий и наноматериалов;
- вовлечение в нанотехнологии высокопрофессиональных специалистов - химиков, физиков, биологов и механиков.
Рис. 12. Фотонно-кристаллические материалы Fig. 12. Photonic crystals
Автор выражает глубокую признательность организаторам школы-конференции «Перспективные проблемы механики» чл.-корр. РАН Д.А. Индейцеву и д-ру физ.-мат. наук А.М. Кривцову за приглашение принять участие и выступить на конференции. Автор благодарен акад. Н.Ф. Морозову и акад. И.Г. Горячевой за плодотворные дискуссии по теме доклада и акад. Ф.Л. Черноусько, убедительно показавшего на примере В.Г. Шухова, насколько плодотворным может оказаться совмещение активности в области механики, химии и химической технологии. Наконец исключительно полезными для автора оказались дискуссии с Е.А. Гудилиным и А.В. Лукашиным.
Список литературы
1. Book of Abstracts of XXXVII Summer School "Advanced Problems in Mechanics". Saint-Peterburg, Repino, Russia, 2009.
2. Третьяков Ю.Д. Развитие неорганической химии как фундаментальной основы создания новых поколений функциональных материалов // Успехи химии. 2004. Т. 73, № 9. С. 899-916.
3. Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. Ю.Д. Третьякова. М.: Физматлит, 2009.
4. Третьяков Ю.Д. Уроки зарубежного нанобума // Вестник РАН. 2009. Т. 79, № 1. С. 3-10.
5. Feynmann R.P. Miniaturization. Reinhold, New York. 1961.
6. Tretyakov Yu.D., Goodilin E.A. Key trends in basic and application-oriented research on nanomaterials // Russian Chemical Reviews. 2009. Vol. 78, Iss. 9. P. 801-820.
7. Гудилин Е.А., Третьяков Ю.Д. Фундаментальные подходы к развитию нанотехнологий, наномате-риалов и подготовке кадров для наноиндустрии // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2008. № 1. С. 9-16.
8. Андриевский Р.А., Хачоян А.В. Роль размерных эффектов и поверхностей раздела в физико-химических свойствах консолидированных нанома-териалов // Рос. хим. журнал. 2009. Т. 53, № 2. С. 414.
9. Hodes G. When Small Is Different: Some Recent Advances in Concepts and Applications of Nanoscale Phenomena // Adv.Mater. 2007. Vol. 19. P. 639-655.
10. Wilson S.A., Jourdain R.P. J., Zhang Q., Dorey R.A., Bowen C.R., Willander M., Wahab Q.U., Al-hilli S.M., Nur O., Quandt E., Johansson C., Pagounis E., Kohl M., Matovic J., Samel B., van der Wijngaart W., Jager E.W.H., Carlsson D., Djinovic Z., Wegener M., Moldovan C., Iosub R., Abad E., Wendlandt M., Rusu C. & Persson K. 2007. New materials for micro-scale sensors and actuators: An engineering review // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2007. Vol. 56. P. 1-129.
11. Vasquez Y., Henkes A.E., Bauer J.Chris, Schaak R.E. Nanocrystal conversion chemistry: A unified and
materials-general strategy for the template-based synthesis of nanocrystalline solids // J. Solid State Chem. 2008. Vol. 181. P. 1509-1523.
12. Yuan Zhong-Yong, Su Bao-Lian, Insights into hierarchically meso-macroporous structured materials // J. Materials Chem. 2006. Vol. 16. P. 663-677.
13. Hua Chung Zeng // J. Materials Chem., 16, 649 (2006).
14. Ovidko J.A. Review on the fracture processes in nanocrystalline materials // Journal of Materials Science. 2007. Vol. 42, No. 5. P. 1694-1708.
15. Buehler M.J., Ackbarow T. Fracture mechanics of protein materials // Materials today. 2007. Vol. 10, No. 9. P. 46-58.
16. Жабрев В.А., Лукьянов Г.Н., Марголин В.И., Рыбалко В.В., Тупик В.А. Введение в нанотехноло-гию. М.: Изд-во Москов. Государств. Ин-та электроники и математики, 2007. С. 13.
17. Moya J.S., Lopez-Esteban S., Pecharroman C., The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites // Progress in Materials Science. 2007. Vol. 52, No. 7. P. 1017-1090.
18. Coleman J.N., Khan U., Blau W.J., Gun'ko Y.K. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube-polymer composites // Carbon. 2006. Vol. 44. P. 1624-1652.
19. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур // УФН. 2009. Т. 179, № 4. С. 337.
20. Рагуля А.В., Схороход В.В. Консолидированные наноструктурные материалы. Киев: Наукова думка, 2007.
21. Суздалев И.В. Нанотехнология. Физико-химия наноклатеров, наноструктур и наноматериа-лов. М.: Комкнига, 2005.
22. Matthew A. Albrecht, Cameron W. Evans and Colin L. Raston // Green Chem. 2006, 8, 417-432.
23. Colloids under External Control. Van Blaaderen, A MRS Bulletin. 2004. Vol. 29, No. 2. P. 85-90.
24. Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. М.: Изд-во Бином, 2006.
25. Fahleman B.D. Materials Chemistry. Springer. Dord-recht, 2007 (Chapter 6, P. 275-356).
26. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т. 72. С. 731-763.
27. Бойнович Л. Б. Дальнодействующие поверхностные силы и их роль в развитии нанотехнологии // Успехи химии. 2007. Т. 76, № 5. С. 510-528.
28. Mahltig B., Haufe H., Bottcher H. Functionaliza-tion of textiles by inorganic sol-gel coatings // J. Materials Chemistry. 2005. Vol. 15. P. 4385-4398.
29. Томашпольский Ю.А. // Журн. общ. химии, 72, 678 (2002).
30. Rotello V.M. // J. Mater.Chemistry, 18, 3739 (2008).
31. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K. and Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Progress in Materials Science. 2000. Vol. 45, No. 2. P. 103-189.
32. Wang X.H., Chen I.W. In «Nanomaterials Handbook» (Ed. Y.Gogotsi). Taylor and Francis Group, Boca Raton, 2006. P. 361.
33. Min Y., Akbulut M., Kristiansen K., Golan Y., Israelachvili J. The role of interparticle and external forces in nanoparticle assembly // Nature Materials. 2008. Vol. 7. P. 527-538.
34. Roach P., Shirtcliffe N.J., Newton M.J. Progess in superhydrophobic surface development // Soft Matter. 2008. Vol. 4. P. 224-240.
35. Жабрев В.А., Лукьянов Г.Н., Марголин В.И., Рыбалко В.В., Тупик В.А. Введение в нанотехноло-гию. М.: Изд-во Москов. Государств. Ин-та электроники и математики, 2007. С. 170.
36. Кобояси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином, 2008.
37. Озерин А.Н. О функциональных и «умных» материалах в «Российских нанотехнологиях» // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3, № 5-6. С. 8-9.
38. Wong S. // J. Solid State Chem., 181, 1539 (2008).
39. Productive nanosystems. A technology roadmap. The Foresight Nanotech Institute CA USA, 2007 176 p.
40. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2005.
41. Huck W.T.S. Responsive polymers for nanoscale actuation // Materials today. 2008. Vol. 11, No.7-8. P. 24-32.
42. Koerner H., White T.J., Tabiryan N.V., Bunning T.J., Vaia R.A., Photogenerating work from polymers // Materials today. 2008. Vol. 11, No. 7-8. P. 34-42.
43. Nayak S., Lyon L.A. // Angew. Chemie. Int. Ed., 44, 7686 (2005).
44. Guo L.J. Nanoimprint lithography: methods and material requirements // Adv. Mater. 2007. Vol. 19. P. 495-513.
45. Cattant F., Crusset D., Feton D. Corrosion issues in nuclear industry today // Materials Today. 2008. Vol. 11, No 10. P. 32-37.
46. Martin K.J., Madan A., and Hoffman D., Ji J., Barnett S.A. Mechanical properties and thermal stability of TiN/TiB2 nanolayered thin films // J. Vac. Sci. Tech-nol. 2005. Vol. 23, No. 1. P. 90-98.
47. Wang Z., Han Enhou, Liu Fuchun, Ke Wie // J. Mater. Sci. Technol. 2007. Vol. 23, No. 4. P. 547-550.
48. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии. СПб.: Изд-во «Элмор», 2008.
49. Ролдугин В.И. Свойства фрактальных дисперсных систем // Успехи химии. 2003. Т. 72, № 11. С. 1027-1054.
50. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77, № 7. С. 619-638.
51. Sarkar S., Chunder A., Fei W., Zhai L., J.Am.Ceram.Soc., 91, 2751 (2008)
52. Stevens M.M. Biomaterials for bone tissue engineering // Materials today. 2008. Vol. 11, No. 5. P. 1825.
53. MacNeil S. Biomaterials for tissue engineering of skin // Materials today. 2008. Vol. 11, No. 5. P. 26-35.
54. Moroni L., Elisseef J.H. Biomaterials engineered for integration // Materials today. 2008. Vol. 11, No. 5. P. 44-51.
55. Jordan J., Jacob Karl I., Tannenbaum R., Sharaf Mohammed A. and Jasiuk I. Experimental trends in polymer nanocomposites - a review // Materials Science and Engineering. 2005. Vol. 393, No.1-2. P. 1-11.
56. Nanostructured superalloy structural components and methods of making, US-patent, Application number: 11/324,458, Publication number: US 2007/0151639 A1.
57. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multifer-roic and magnetoelectric materials // Nature. 2006. Vol. 442. P. 759-765.
58. Peng S., Xie J., Sun S. Synthesis of Co/MFe2O4 (M = Fe, Mn) core/shell nanocomposite particles // J. Solid State Chem. 2008. Vol. 181. P. 1560-1564.
59. Wang Sanwu, Gudipati R., Rao A.S., and Bostelmann T.J., Shen Y.G. First-principles calculations for the elastic properties of nanostructured superhard TiN/SiN superlattices // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91. 081916.
60. Balazs A.C. Modeling self-healing materials // Materials today. 2007. Vol. 10, No. 9. P. 18-23.
61. Swygenhoven Helena Van, Weertman Julia R. Deformation in nanocrystalline metals // Materials today. 2006. Vol. 9, No. 5. P. 24-31.
62. Wert J.A., Huang X., Winther G., Pantleon W., Poulsen H.F. Revealing deformation microstructures // Materials today. 2007. Vol. 10, No. 9. P. 24-32.
63. Mazenko Gene F., Valls Oriol T., Zannetti Marco. Field theory of spinodal decomposition: Comparison with numerical simulations // Phys. Rev. 1989. Vol. 40. P. 379-383.
64. Lin Karin, Chrzan D.C. Kinetic Monte Carlo simulation of dislocation dynamics // Phys. Rev. 1999. Vol. 60. P. 3799-3805.
65. Rai-Choudhury P. Handbook of Microlithogra-phy, Micromachining and Microfabrication. 1st ed.; SPIE Press, Bellingham, WA. 1997. Vol. 2.
66. Jayanth Panyam and Vinod Labhasetwar. Biodegradable nanoparticles for drug and gene delivery to cells and tissue // Advanced Drug Delivery Reviews. 2003. Vol. 55, No. 3. P. 329-347.
67. Autumn K. How gecko toes stick // American Scientist. 2006. Vol. 94, No. 3. P. 124-132.
68. Noy A., Park Hung Gyu, Fornasero F., Holt J.K., Grigoropoulos C.P., Bakajin O. Nanofluidics in carbon nanotubes // Nano today. 2007. Vol. 2, No. 6. P. 22-29.
69. Wang C., Li D., Too C.O., Wallace G.G. // Chem. Mater. 21, 2604 (2009).
70. Pugno Nicola M. Space elevator: out of order? // Nano today. 2007. Vol. 2, No. 6. P. 44-47.
71. Чеканова А.Е. Биосовместимые магнитные наноматериалы на основе оксида железа (III). Авто-реф. дисс. канд. хим. наук. М., 2008.
72. Вересов А.Г. Направленный синтез высокопористых материалов на основе гидроксилапатина. Ав-тореф. дисс. канд. хим. наук. М., 2003.
73. Чернышева М.В. Синтез одномерных структур на основе интеркалированных одностенных углеродных нанотрубок. Автореф. дисс. канд. хим. наук. М., 2008.
74. Григорьева А.Г. Синтез и исследование функциональных свойств низкоразмерных наноструктур на основе титана и ванадия. Автореф. дисс. канд. хим. наук. М., 2009.
75. Померанцева Е.А. Получение, структура и свойства нитевидных кристаллов ВабМп24048. Автореф. дисс. канд. хим. наук. М., 2007.
76. Напольский К.С. Электрохимическое формирование пространственно-упорядоченных металлических наноструктур в пористых матрицах. Автореф. дисс. канд. хим. наук. М., 2009.
77. Синицкий А. С. Синтез, структура и дифракционные свойства фотонных кристаллов на основе опалов и интертированных опалов. Автореф. дисс. канд. хим. наук. М., 2008.
78. Ushkov S.S., Rybin V.V., Razuvaeva I.N., Nesterova E.V., Gubina O.A. Mechanisms of thermal embrittlement and corrosion cracking in alloyed a titanium alloys // Physics of metals and metallography. 1995. Vol. 79, No. 6. P. 690-695.
79. Presuel-Moreno F., Jakab, M.A., Tailleart, N., Goldman, M. and Scully J.R. Corrosionresistant metallic coatings // Materials today. 2008. Vol. 1, No.10. P. 1423.
80. Andreeva D.V. and Shchukin D.G. Smart self-repairing protective coatings // Materials Today. 2008. Vol. 11, No. 10. P. 24-30.
81. Иванов В.К., Баранчиков А.Е., Ванецев А.С., Шапорев А. С., Полежаева О.С., Третьяков Ю.Д., Федоров П.П., Осико В.В. Влияние гидротермальной и гидротермально-ультразвуковой обработки на фазовый состав и микроморфологию гидроксикарбоната иттрия // Журнал неорганической химии. 2007. Т. 52, № 9. С. 1413-1420.
